СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА ЛИСТОВОГО ПРОКАТА Российский патент 2004 года по МПК G01N29/18 

Предлагаемое изобретение относится к методам исследования внутреннего строения материала с помощью ультразвуковых волн. Главным образом оно может быть использовано для экспресс-контроля физико-механических характеристик материала движущегося металлопроката, таких как упругие характеристики (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона) и прочностных (предел прочности, предел текучести, твердость и др.) в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Широко известны способы, устройства и нормативные документы по измерению физико-механических характеристик материалов. В частности, для измерения предела прочности, предела текучести и модуля Юнга проводят разрывные испытания специально изготовленных из материала изделия стандартных образцов круглого или квадратного сечения [1] . Твердость материала (по Роквеллу, Бринелю и Виккерсу) определяют путем вдавливания шарика или алмазной пирамидки в образец материала с последующим измерением полученного отпечатка [1] .

Недостатками таких способов и устройств являются трудоемкость и длительность процесса измерений, необходимость изготовления специальных образцов из материала изделия.

Известны портативные устройства экспресс-контроля твердости материала на самом изделии, основанные на измерении высоты отскока шарика от их поверхности или ухода частоты колебаний пьезопреобразователя от резонансной при вдавливании пирамидки в металл [2]. Недостатками таких устройств являются измерение твердости только поверхностного слоя материала и невозможность его применения для контроля движущихся изделий.

Известны способы определения физико-механических характеристик материалов с помощью ультразвука. Эти способы основаны на известных функциональных или корреляционных зависимостях между скоростями распространения продольных и поперечных волн в материале изделия и некоторыми физико-механическими характеристиками. В частности, упругие характеристики - модуль Юнга Е, модуль сдвига G и коэффициент Пуассона ν функционально связаны со скоростями распространения продольных C_l и поперечных C_t волн [3]:


и плотностью ρ материала. Известны также [4] корреляционные зависимости между пределом прочности, пределом текучести и твердостью различных материалов и сплавов и скоростями распространения в них упругих волн. Однако такие способы определения физико-механических характеристик реализованы путем измерения скоростей распространения продольных и поперечных волн в статическом состоянии на образцах материалов.

Наиболее близким по существенным признакам к предлагаемому изобретению является способ одновременного измерения толщины и скоростей распространения продольных и поперечных волн в материале движущегося листового проката [5].

Известный способ измерений заключается в следующем: контролируемое изделие помещают в жидкость между излучающим и приемным преобразователем, излучают импульсы упругих волн и измеряют время t₁ прихода первого 1 прошедшего через лист импульса, время t₂ прихода второго 2 прошедшего через лист импульса продольных С_l волн, время t₃ прихода импульса 3 обусловлено прохождением поперечной C_t волны через изделие и время t₄ прихода импульса 4 продольных С₀ волн через жидкость при отсутствии листа в акустическом тракте, а неизвестные толщину изделия Н_x и скорости акустических волн С₀, C_l, C_t определяют по формулам:

где L - известное расстояние между излучателем и приемником.

Известный способ позволяет определить только некоторые прочностные характеристики материала по измеренной скорости ультразвука и известным корреляционным зависимостям [4]. Известный способ не позволяет определить упругие модули материала Е, G, ν по формулам (1), так как неизвестна плотность ρ материала движущегося проката.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа экспресс-контроля расширенной номенклатуры физико-механических характеристик материала движущегося листового проката.

Поставленная задача решается за счет того, что, как и в известном способе, изделие помещают в жидкость, излучают импульсы упругих колебаний нормально к поверхности изделия, принимают первый 1, второй 2 прошедшие через движущийся лист импульсы продольной C_l волны, прошедший через лист импульс 3 поперечной C_t волны и импульс 4 продольной волны С₀, прошедшей через жидкость при отсутствии изделия в воде, определяют скорости распространения акустических волн С₀, C_l, C_t, но в отличие от известного способа дополнительно измеряют амплитуды U₁ первого, U₂ второго прошедших через лист импульсов 1 и 2 продольных волн и амплитуду U₄ импульса 4 продольной волны, прошедшей через воду, вычисляют неизвестную плотность ρ материала изделия по формуле:

где z₀ - удельное акустическое сопротивление,

F₁, F₂ и F₄ - функции, учитывающие дифракционное расхождение звукового пучка и определяемые из расчета акустического тракта [6], с последующим вычислением упругих модулей материала.

Во втором пункте формулы изобретения в качестве приемного преобразователя предложено использовать кольцевой преобразователь, что позволяет реализовать более высокую точность измерения.

В третьем пункте формулы изобретения предлагается внутренний радиус приемного преобразователя устанавливать равным радиусу излучателя, что позволяет реализовать максимальную точность измерения скорости распространения поперечной волны.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически представлено устройство, реализующее способ измерения, на фиг. 2а - временные диаграммы сигналов, прошедших через лист, на фиг.2б - сигнал, прошедший через жидкость, а на фиг.2в и 2г - огибающие этих сигналов.

На фиг.1 обозначено:
1. Генератор высокочастотных электрических импульсов.

2. Излучающий преобразователь.

3. Иммерсионная жидкость.

4. Контролируемое изделие.

5. Приемный кольцевой преобразователь.

6. Усилитель с детектором.

7. Измеритель временных интервалов.

8. Измеритель амплитуд сигналов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем: короткий ультразвуковой импульс, создаваемый излучающим преобразователем, падает из жидкости нормально на поверхность движущегося листового проката. Приемный кольцевой преобразователь принимает однократно U₁ и двукратно U₂ прошедшие через лист импульсы продольной C_l волны, импульс U₃ поперечной C_t волны, прошедшей через лист, и преобразует их в электрические сигналы. Если в акустическом тракте нет изделия, то приемный преобразователь принимает сигнал U₄, прошедший через жидкость от излучателя к приемному преобразователю. Для определения скорости распространения упругих волн в материале движущегося листового проката неизвестной толщины измеряются временные интервалы t₁, t₂, t₃, t₄ между посылкой и принятыми сигналами. Время прихода t₁ первого прошедшего импульса U₁ определяется:

где С₀ и С_l - скорости звука в жидкости и материале изделия, Н_х - неизвестная толщина в точке прозвучивания, L - известное расстояние между излучающим И и приемным П преобразователями. Время t₂ второго прошедшего импульса U₂ составляет:

Время t₃ прошедшего через лист импульса U₃ поперечной волны составляет:

А время t₄ сигнала, прошедшего через воду:
t₄=L/C₀. (7)
Неизвестная толщина материала Н_х в точке прозвучивания, скорости распространения продольной C_l и поперечной C_t волн в материале, а также скорость С₀ в воде определяются из решения уравнений (4)-(7):

Кроме этого, измеряются амплитуды первого U₁ и второго U₂ прошедших через лист импульсов продольных волн, а также амплитуда U₄ импульса, прошедшего через жидкость.

Значения амплитуд этих сигналов в соответствии с уравнениями акустического тракта [3] можно записать в виде:



где К_v - коэффициент двойного электромеханического преобразования излучателя И и приемника П, U_г - амплитуда возбуждающего электрического напряжения, подаваемого на излучающий преобразователь И от генератора высокой частоты; - коэффициент прозрачности границы раздела жидкость - твердое тело по энергии; - коэффициент отражения звука по амплитуде от этой границы; F_i - функции, учитывающие дифракционное ослабление звукового пучка, зависящие от волновых размеров преобразователей, расстояний в акустическом тракте и определяемых в соответствии с [6]; z₀ = ρ₀•c₀ и z = ρ•c_l - удельные акустические импедансы жидкости (воды) и материала изделия.

Если учесть, что коэффициент затухания звука в материале изделия существенно больше затухания в воде, то из (8)-(10) следует:


Совместное решение уравнений (11) и (12) позволяет определить коэффициент отражения
R²+qR-1=0 и
и плотность материала изделия:

где
Полученные значения скорости распространения продольных волн С_l в материале изделия позволяет по известным корреляционным характеристикам определить предел прочности, предел текучести [7] и твердость материала [8].

Полученные в результате измерений значения скорости распространения поперечных и продольных волн, а также плотности материала позволяют определить модуль сдвига G, коэффициент Пуассона v и модуль Юнга Е:
G = ρ•C2t

;


Рассмотрение предлагаемого способа показывает, что он позволяет не только измерить скорости распространения продольных и поперечных волн в материале движущегося листового проката и на основе этого определить некоторые прочностные характеристики материала, но и измерить плотность материала, что позволяет по известным функциональным зависимостям определять упругие характеристики материала (модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона).

Источники информации
1. Шулаев И.Л. Контроль в производстве черных металлов. М.: Металлургия, 1978.

2. Крауткрамер И. , Крауткрамер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. М.: Металлургия, 1991.

3. Неразрушающий контроль. Под ред. Сухорукова В.В., т.2, Акустические методы контроля. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. М.: Высшая школа, 1991.

4. Ботаки А.А., Ульянов В.Л., Шарко А.В. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1983.

5. Способ измерения скоростей распространения продольных и поперечных звуковых волн в плоских изделиях. Авторское свидетельство СССР 1146558, Б.И. 11, 1985.

6. Паврос А. С., Паврос С.К., Щукин А.В. Измерение скоростей распространения продольных и поперечных волн в материале движущихся изделий. Труды конференции ЛЕОТЕСТ, 2002, г. Львов.

7. Ботаки А.А., Ульянов В.Л., Шарко А.В. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1983, стр. 61.

8. Ботаки А.А., Ульянов В.Л., Шарко А.В. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1983, стр. 59.

Предлагаемый способ относится к методам исследования внутреннего строения материала с помощью ультразвука. Технический результат - разработка способа экспресс-контроля расширенной номенклатуры физико-механических характеристик материала движущегося листового проката. Согласно предложенного способа, изделие помещают в жидкость, излучают импульсы упругих колебаний нормально к поверхности изделия. Принимают первый и второй прошедшие через лист импульсы продольной волны, импульс поперечной волны, однократно прошедший через лист, и импульс, прошедший через жидкость при отсутствии изделия в измерительном тракте. Вычисляют скорости распространения упругих волн в жидкости и изделии. Определяют прочностные характеристики материала по измеренной скорости распространения продольной волны. При этом дополнительно измеряют амплитуды первого и второго прошедших через лист импульсов и амплитуду импульса, прошедшего через жидкость, определяют плотность материала изделия. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения физико-механических характеристик материала движущегося листового проката путем излучения импульсов упругих волн нормально к поверхности изделия, расположенного в жидкости, приема первого и второго прошедших через лист импульсов продольной волны, импульса поперечной волны, однократно прошедшего через лист, и импульса, прошедшего через жидкость при отсутствии изделия в измерительном тракте, определения скоростей распространения упругих волн в жидкости и изделии с последующим определением прочностных характеристик материала по измеренным скоростям распространения, отличающийся тем, что дополнительно измеряют амплитуды первого и второго прошедших через лист импульсов продольных волн и амплитуду импульса, прошедшего через жидкость, определяют плотность материала изделия по формуле

где ρ₀ и C₀ - плотность и скорость продольных волн в жидкости (воде);

С₁- скорость продольных волн в материале изделия;

U₁, U₂, U₄ - амплитуда первого и второго прошедших через лист импульсов продольных волн и импульса, прошедшего через жидкость;

F₁, F₂ и F₄ - функции, учитывающие дифракционное расхождение звукового пучка в акустическом тракте,

и на основании полученных величин определяют упругие характеристики материалов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве приемного преобразователя использован преобразователь в форме кольца.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что внутренний радиус кольцевого приемного преобразователя равен радиусу излучателя.