Акустичний спосіб контролю підповерхневих напружень в твердих середовищах

Акустичний спосіб контролю підповерхневих напружень в твердих середовищах, в якому за допомогою приймально-випромінюючого акустичного перетворювача в контрольований об'єкт вводять зсувні акустичні коливання, які поляризовані у двох взаємно перпендикулярних напрямках, та приймають відбиті всередині об'єкта акустичні сигнали в напруженому його стані, крім того перпен C2 2 (19) 1 3 93297 4 чення швидкості коливань зсуву, визначають відносні різницю та суму приросту швидкостей від їх початкового значення, а напрямок дії одного із головних напружень в взаємно-перпендикулярних напрямках визначають шляхом повороту акустичного перетворювача навколо власної осі до положення, за якого прийняті сигнали розміщаються в послідовний ряд з амплітудами, що систематично зменшуються. Відомий спосіб-прототип має ознаки, що не властиві запропонованому способу, і полягають в тому, що зсувні та поздовжні акустичні коливання вводять перпендикулярно площині дії напружень і приймають дзеркально відбиті всередині об’єкта акустичні коливання. Недоліком акустичних методів контролю напружень в твердих середовищах та способупрототипу в конкретному випадку є те, що напруження визначаються тільки за однорідного розподілу їх по перерізу (товщині) об’єкта або середнє значення і не дозволяють визначати комплексне розподілення напружень по шарах, об'єкта, так звані підповерхневі напруження, які формуються, наприклад, під впливом поверхневої зміцнюючої обробки об’єкта. В основу винаходу поставлена задача забезпечити визначення акустичним способом напруження в підповерхневих шарах об'єкта і розширити можливості та підвищити точність контролю напружень акустичним способом. За способом, що пропонується за допомогою акустичного перетворювача в об'єкт контролю вводяться поздовжні акустичні коливання під кутом, величина якого близька до величини першого критичного кута в напрямках дії напружень в ньому та приймаються недзеркально відбиті під тим же кутом поздовжні підповерхневі акустичні коливання. Поставлена задача вирішується за рахунок того, в контрольований об'єкт за допомогою приймальновипромінюючого акустичного перетворювача в контрольований об'єкт вводять зсувні акустичні коливання, які поляризовані у двох взаємно перпендикулярних напрямках та приймають відбиті всередині об'єкта акустичні сигнали в напруженому його стані, при цьому перпендикулярно площині дії напружень вводять також поздовжні акустичні коливання та приймають відбиті всередині об'єкта акустичні сигнали, за виміряними в напруженому об'єкті значеннями швидкості розповсюдження двох компонент зсуву та поздовжньої акустичних коливань визначають початкове значення швидкостей коливань зсуву та відносні різницю та суму приросту швидкостей від їх початкового значення і визначають знак та величину двохосьових залишкових напружень в об'єкті, середніх по товщині, а у відповідності з винаходом, вводять поздовжні акустичні коливання під кутом падіння, величина якого близька до величині першого критичного кута, в двох взаємно перпендикулярних головних площинах, приймають під тим же кутом недзеркально відбиті поздовжні підповерхневі акустичні коливання в шарах об'єкта, який перебуває в напруженому стані та за відсутності в ньому напружень, визначають відповідні швидкості розповсюдження поздовжніх підповерхневих акустичних коливань, за якими визначають характеристики напружень в підповерхневих шарах об'єкта. Дослідження в галузі акустопружності дають підстави для визначення зв'язку зміни швидкості розповсюдження поздовжньої підповерхневої хвилі в твердому тілі від напружень [Гузь А. Н., Махорт Ф. Г., Гуща О. И. Ведение в акустоупрогость. К.: Наукова думка. 1977. 152с.]. При цьому було враховано, що швидкість розповсюдження поздовжньої підповерхневої та об'ємної поздовжньої хвиль рівні між собою [Ермолов И. Η., Разыграев Н. П., Щербинский В. Г. Использование акустических волн головного типу для ультразвукового контроля. Дефектоскопия. 1978. №1, с. 33-40]. Основні акустичні співвідношення в межах потенціалу Мурнагана та лінійного наближення дозволяють отримати вирази для квадратів швидкостей розповсюдження поздовжніх підповерхневих акустичних хвиль за випадку двохосьового напруженого стану та коли хвилі розповсюджуються в напрямках дії напружень. 1 2 2  11   22   2b  c    2  2a  b 11   22  11 (1) VLx1    2  3K 3K 2 VLx2    2   1 2  22  11  2b  c    2  2a  b 11  22  22 (2) 3K 3K де, VLx1 та VLx2 - швидкості розповсюдження поздовжніх акустичних хвиль в напрямках OX1 та ОХ2 відповідно; ρ - густина матеріалу; μ та λ - константи Ламе; К - коефіцієнт об'ємної пружності; a, b та с - константи пружності третього порядку матеріалу; σ11 та σ22 - напруження, що діють в напрямках ОХ1 та ОХ2 відповідно. З урахуванням виразів (1) та (2) та пружноакустичних характеристик матеріалу, величини та знаки головних підповерхневих напружень за двохосьового напруженого стану об’єкта, визначаються формулами: V  VLo VLx2  VLo  11   22   Lx1    R (3) VLo VLo    V  VLo VLx2  VLo  11  22   Lx1    Q (4) VLo VLo   де, σ11 та σ22 - підповерхневі головні напруження; VLx1 , VLx2 та VL0 - швидкості розповсюдження повздовжньої підповерхневої хвилі в напрямках ОХ1 та ОХ2 в об'єкті з напруженнями та за їх відсутності, відповідно; R та Q - коефіцієнти пропорціональності, що визначаються пружними модулями другого та третього порядку матеріалу і можуть бути розраховані або визначені експериментально за навантаженням зразка даного матеріалу. 5 93297 Коефіцієнти R та Q визначаються пружними модулями другого та третього порядку матеріалу за наступними формулами: R Q 2  2 2b  c   (5) 6K  2    2 2b  c    2   8a  b  6K (6) де, μ, λ, Κ, a, b та с - модулі (константи) пружності другого та третього порядку матеріалу об’єкта. 6 Виведені на основі теорії акустопружності формули (3) і (4) відображають зв'язок швидкості розповсюдження поздовжньої підповерхневої акустичної хвилі в твердому тілі з напруженнями в ньому. Експериментальні дослідження, які виконані на контрольному зразку із сталі 10ХСНД і наведені в таблиці 1, підтверджують досягнення технічного результату в тому, що величина швидкості розповсюдження поздовжніх підповерхневих хвиль в напрямку дії напружень однозначно залежить від рівня цих напружень в об'єкті. Таблиця 1 № п/п 1 2 3 Розрахункові дані напружень, МПа 11Роз. 22Роз. - 47,33 15,77 - 94,67 31,55 - 142,05 47,32 Виміряні дані напружень, МПа 11 22 - 50,54 13,1 - 97,24 32,57 -140,12 49,93 Робота запропонованого акустичного способу контролю напружень в підповерхневих шарах базується на тому, що в об'єкт, що досліджується, за допомогою приймально-випромінюючих акустичних перетворювачів в точці контролю вводять зсувні акустичні коливання, які поляризовані у двох взаємно перпендикулярних напрямках та приймають відбиті всередині об'єкта коливання в напруженому його стані, визначають відповідні швидкості розповсюдження акустичних коливань зсуву, потім в цій же точці вводять поздовжні акустичні коливання та приймають відбиті всередині об'єкта коливання в напруженому його стані, визначають їх швидкість та за виміряними в напруженому об'єкті значеннями швидкості розповсюдження двох компонент зсуву та поздовжніх коливань, визначають початкове значення швидкості коливань зсуву і відносні різницю та суму приросту швидкостей від їх початкового значення і визначають знак та величину двохосьових залишкових напружень в об'єкті, середніх по товщині. Потім в цій же точці, для визначення напружень в підповерхневих шарах об'єктa, за допомогою акустичного перетворювача вводять поздовжні акустичні коливання під кутом падіння, величина якого близька до величини першого критичного кута, у двох взаємно перпендикулярних головних напрямках, приймають Комп’ютерна верстка Л. Купенко Абсолютна похибка, МПа 11 22 3,21 2,67 2,57 -1,02 -1,93 -2,61 під тим же кутом недзеркально відбиті поздовжні підповерхневі акустичні коливання в шарах об'єкта, який перебуває в напруженому стані та за відсутності напружень, визначають відповідні швидкості розповсюдження поздовжніх підповерхневих акустичних коливань і використовуючи акустичні співвідношення (3) і (4), визначають величини та знаки напружень в підповерхневих шарах об'єкта з урахуванням пружно-акустичних характеристик матеріалу, які визначають розрахунком або експериментально за навантаженням зразка даного матеріалу. Для здійснення контролю і досліджень згідно із запропонованим способом можуть використовуватись промислові акустичні перетворювачі з реєструючими приладами, які зазвичай застосовуються в ультразвуковій техніці, як засоби неруйнівного ультразвукового контролю напружень і деформацій. На теперішній час на підприємстві - заявника створене робоче місце для здійснення досліджень, згідно із запропонованим способом, на якому проведені експериментальні дослідження, щодо визначення напружень в підповерхневих шарах об’єкта контролю. Підписне Тираж 23 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