Спосіб контролю дефектності матеріалу

Спосіб контролю дефектності матеріалу, який полягає в тому, що в контрольованому зразку або виробі із досліджуваного матеріалу збуджують вимушені механічні коливання в області резонансу, знімають амплітудно-частотну характеристику, вимірюють частоту резонансу f0, вимірюють частоти f1 і f2, а дефектність матеріалу визначають за симетрією f1 і f2 відносно f0, який відрізняється тим, що додатково вимірюють амплітуду коливань зразка в умовах резонансу, а частоти f 1 і f2 вимірюють при амплітуді коливань, що становить половину резонансної амплітуди коливань. (19) (21) a200801598 (22) 07.02.2008 (24) 25.03.2010 (46) 25.03.2010, Бюл.№ 6, 2010 р. (72) ВДОВИЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М.ФРАНЦЕВИЧА НАН УКРАЇНИ (56) SU 1772726 A1; 30.12.1992 UA 82678 C2; 12.05.2008 SU 1552091 A1; 23.03.1990 SU 1770889 A1; 23.10.1992 RU 2245543 C2; 27.01.2005 SU 819709; 07.04.1981 SU 648902; 25.02.1979 US 6330827 B1; 18.12.2001 3 =1- / 0, де - виміряна густина пористого матеріалу, а під 0 розуміють густину матеріалу, що не містить пор. Наявність недосконалих контактів визначають порівнянням експериментальних значень характеристик пружності (швидкостей поширення пружної хвилі, модулів пружності) зі значеннями, розрахованими за теоретичними залежностями характеристик пружності від пористості. В разі виявлення певних відхилень експериментально визначених характеристик від теоретичних вважають матеріал дефектним. Проте характеристики пружності, а відтак і резонансні частоти зразка, залежать як від густини матеріалу, так і від структурних характеристик (просторова форма фаз, їх орієнтація відносно напрямку поширення пружної хвилі тощо). Тому існуючі теоретичні співвідношення, що їх виведено при різних припущеннях щодо структури пористих матеріалів, дають лише досить широкий діапазон можливих значень характеристик пружності в залежності від пористості. Існуючі ж емпіричні залежності справедливі лише для окремих матеріалів, виготовлених за певними технологіями. Тобто, недоліком цього методу є невисока точність визначення характеристик консолідації (якості контактів між частками або фазами), що пов'язані з властивостями міцності і тріщиностійкості виробів, одержаних за порошковими технологіями. Також відомому способу властива низька продуктивність праці, оскільки індивідуальне визначення пористості (густини) матеріалу після кожної операції при поопераційному контролі є трудомісткою задачею. Таким чином, вимірювання лише лінійних характеристик не дає змоги розділити матеріали з різними нелінійними характеристиками деформування. Відомий, також, спосіб контролю дефектності виробу [а.с. №1772726 СРСР, кл. G01N29/00, опубл. 30.10.1992, Бюл. №40], що за технічною суттю найбільш близький до рішення, що заявляється. Відомий спосіб полягає в тому, що в виробі збуджують вимушені коливання в області резонансу, знімають амплітудно-частотну характеристику (АЧХ), вимірюють величини до резонансної f1 та післярезонансної f2 частот, за яких амплітуда коливань досягає заданого рівня, вимірюють при цьому частоту резонансу, а про дефектність роблять висновок за симетрією f1 та f2 відносно резонансної частоти fn. Однак, відомому способу притаманна низька точність контролю дефектності зразків матеріалів, геометричні розміри і мікро- та мезоструктурні параметри, а відтак характеристики пружності яких змінюються в процесі виготовлення. Зокрема, модуль Юнга при спіканні виробів з порошків може зростати в декілька раз. При цьому амплітуда коливань зразка може зростати в десятки раз при тих самих параметрах сигналу збудження. Це спричиняє похибку при визначенні дефектності зразка відомим способом, а в деяких випадках робить неможливим визначення зміни дефектності, наприклад, в процесі спікання. Похибка викликана тим, що, внаслідок несиметричності АЧХ, 90002 4 несиметричність f1 та f2 відносно резонансної частоти зразка (деталі) f0 залежить для тієї ж кривої від амплітуди, на якому цю несиметричність визначають, а також від параметрів сигналу збудження. В основу винаходу "Спосіб контролю дефектності матеріалу" покладена задача створити такий спосіб визначення дефектності матеріалів, зокрема пористих порошкових та композитних матеріалів, який би дозволив підвищити точність контролю дефектності виробів або зразків матеріалів, що мають різну структуру і геометричні розміри, та їх механічних властивостей за результатами виміру нелінійних резонансних характеристик. Поставлена задача вирішується тим, що в контрольованому зразку із досліджуваного матеріалу збуджують вимушені механічні коливання в області резонансу, знімають амплітудно-частотну характеристику, вимірюють частоту резонансу f0, вимірюють величини дорезонансної частоти f1 і післярезонансної частоти f2, а дефектність матеріалу визначають за симетрією f1 і f2 відносно f0, причому додатково вимірюють амплітуду коливань зразка в умовах резонансу, а частоти f1 і f2 вимірюють на рівні половини резонансної амплітуди коливань зразка. Вказана відмінність призводить до підвищення точності визначення дефектності матеріалу (виробу), що контролюється, та точності оцінки його механічних характеристик, оскільки визначається несиметричність частот f1 і f2 відносно резонансної частоти коливань на рівні половини резонансної амплітуди коливань, на відміну від визначення несиметричності на певному заданому амплітудному рівні. Це означає, що коли амплітуда коливань зразка або виробу буде змінюватись внаслідок зміни внутрішньої структури (наявності та морфології пор та тріщиноподібних дефектів на кшталт недосконалих контактів між частинками порошку) в процесі виготовлення або внаслідок руйнування, буде змінюватись і рівень амплітуди, на якому проводиться вимірювання частот f1 і f2. Внаслідок високого рівня розсіювання енергії, амплітуда резонансну зразків матеріалів зі слабкими міжфазними контактами є суттєво меншою за таку резонансного відгуку бездефектного зразка при його збудженні тим самим сигналом. Вказана відмінність дозволяє зменшити похибку при діагностуванні дефектності і фізико-механічних характеристик зразків або виробів, лінійні розміри та фізичні властивості яких істотно відрізняються, оскільки дозволяє порівнювати нелінійні резонансні характеристики, виміряні при різних амплітудах коливань зразка. Несиметричність f1 та f2 відносно резонансної частоти зразка (деталі) f0, визначається за формулою f=(f2-f0)-(f0-f1)=f1+f2-2f0 (1) Спосіб, що пропонується, дає можливість контролю на тому самому обладнанні зразків та виробів з суттєво різними характеристиками без небезпеки їх руйнування сигналом збудження, що важливо при контролі виробів або зразків, які змі 5 90002 нюють свою структуру та властивості під час їх виготовлення. Запропонований спосіб контролю дефектності матеріалу реалізується наступним чином: - в зразку з досліджуваного матеріалу збуджують вимушені механічні коливання в околі резонансної частоти однієї з форм коливань, - знімають амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) в цьому діапазоні, - вимірюють за АЧХ резонансну частоту f0 та амплітуду коливань зразка на резонансній частоті, - вимірюють дорезонансну f1 та за резонансну f2 частоти при амплітуді коливань зразка, що дорівнює половині амплітуди коливань на резонансній частоті, - за результатами вимірів обчислюють за формулою (1) значення несиметричності f на цьому рівні амплітуди, - за значенням несиметричності роблять висновок про дефектність матеріалу. Приклад реалізації запропонованого способу. Виміри проводили на зразках, виготовлених з порошку оксиду цинку, спечених при різних температурах. Зразки мали вигляд стрижнів довжиною 25мм, шириною 8,5мм і товщиною 4,3мм. Зразок 6 встановлювали між двома п'єзоелектричними перетворювачами, один з яких використовувався для збудження коливань в зразку, а інший, що знаходився біля протилежної грані зразка - для реєстрації коливань, що виникали в зразку. На перший перетворювач з цифрового генератора подавали електричний сигнал синусоїдальної форми амплітудою 10В. З другого перетворювача електричний сигнал надходив на цифровий осцилоскоп і далі на комп'ютер. Вимірювання АЧХ в околі резонансу проводили через 1Гц. Випробування проводили на частотах, близьких до резонансної частоти першої моди поздовжніх коливань стрижневого зразка. Таким чином були виміряні частота резонансних коливань f, амплітуда резонансних коливань А0. Крім того, вимірювали дорезонансну та післярезонансну частоти на рівні 0,5А0 і визначали за формулою (1) несиметричність f. Для порівняння з відомим способом, вимірювали, також дорезонансну та післярезонанасну частоти на заданому амплітудному рівні АЧХ, а саме при амплітуді сигналу, що надходив з перетворювача A=16мВ і також визначали несиметричність за формулою (1). Результати обчислень наведено в таблиці. Таблиця Зразок 1 2 Температура спікання, °С 1000 1100 Резонансна амплітуда А0, мВ 17,8 237,4 Резонансна частота f0, Гц 77319 86345 З наведених даних видно, що характеристика, яка визначається за способом, що пропонується, більш точно відбиває структурні зміни, що відбуваються при спіканні зразка, ніж відомий спосіб. Наведений приклад демонструє той факт, що внаслідок істотної зміни амплітуди коливань зразка неможливо вибрати один амплітудний рівень, виміри частот на якому дозволили б коректно визначити зміну дефектності в матеріалі відомим способом. Натомість за способом, що пропонується, з достатнім ступенем точності можна оцінювати дефектність, що характеризує якість міжчасткових контактів, що формуються в процесі спікання. Враховуючи, що застосування способу, що пропону Комп’ютерна верстка Е. Гапоненко f, Гц Спосіб, що пропонується 360 22 Відомий спосіб 39 34 ється, планується при контролі дефектності та якості спікання деталей, що їх виготовляють методами порошкової металургії, при порівнянні з відомим способом він забезпечує такі переваги: підвищення достовірності контролю якості спікання виробів, і, як наслідок, зменшення кількості пропущених дефектних деталей при контролі і зменшення кількості відмов виробів в процесі експлуатації. Спосіб може бути застосовано в порошковій металургії, машинобудуванні для діагностики дефектності будь-якого твердого тіла, при неруйнівному контролі якості спікання і дефектності виробів або, - в лабораторних умовах, - зразків. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601