Спосіб визначення дефектності матеріалу

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки і стосується неруйнівного контролю матеріалів, в тому числі пористих та композитних, що вироблені за порошковими технологіями. Спосіб визначення дефектності матеріалів полягає в тому, що в контрольованому виробі або в зразку із досліджуваного матеріалу збурюють механічні коливання і вимірюють амплітуду коливань А0 виробу з частотою збурення f0 та одночасно вимірюють амплітуду принаймні однієї гармоніки коливань Аn виробу з частотою nf0. Згідно з винаходом, змінюють декілька разів параметри сигналу збурення випромінювача так, щоб амплітуда коливань А0 виробу на основній частоті f0 збільшилась. Амплітуди гармонік коливань Аn виробу вимірюють на декількох рівнях амплітуди коливань А0, при цьому найменша з амплітуд вимірюваних гармонік перевищує рівень шуму більш ніж втричі. Потім за отриманими даними вимірювань визначають функцію відношення амплітуд An/A0 та похідну згаданої функції по амплітуді коливань A0 виробу, а за значенням відношення амплітуд An/A0 на заданому рівні А0 або за значенням згаданої похідної визначають дефектність контрольованого виробу або зразка із досліджуваного матеріалу. Спосіб забезпечує підвищення достовірності контролю дефектності матеріалів. UA 103716 C2 (12) UA 103716 C2 UA 103716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до неруйнівного контролю матеріалів, в тому числі пористих та композитних, що вироблені за порошковими технологіями, і може бути використаний для виявлення та ідентифікації дефектів у твердому тілі за параметрами його коливань. В порошковій металургії та машинобудуванні при неруйнівному контролі якості спікання і дефектності виробів застосовують способи, що дозволяють контролювати вироби за параметрами їх механічних коливань. Проте для пористих матеріалів відомі способи не дають можливості ідентифікувати вид дефектів, тобто встановити чи є дефект об'ємною порою, чи тріщиноподібним дефектом, що часто і є метою контролю, тому що при виготовленні фільтрів, електродів, імплантатів тощо потрібно забезпечити наявність пор і водночас гарантувати відсутність тріщиноподібних дефектів, і таким чином надані виробам потрібних механічних властивостей (пружності, міцності, тощо). Порівняння експериментальних значень лінійних характеристик пружної хвилі або параметрів коливань (швидкостей поширення хвилі, модулів пружності) зі значеннями, розрахованими за теоретичними залежностями модулів пружності від пористості (Роман О.В., Скороход В.В., Фридман Г.Р. Ультразвуковой и резистометрический контроль в порошковой металлургии. Минск: Вышэйшая школа, 1989. - 182 с.) не забезпечує потрібної точності внаслідок наближеності згаданих теоретичних залежностей. Також відомому способу притаманна низька продуктивність праці, через трудомісткість визначення пористості (густини) матеріалу деталі після кожної операції при поопераційному контролі. Отже, вимірювання лише лінійних акустичних характеристик не дає змоги достатньо точно ідентифікувати тип дефектів. Втім, відомо, що поведінка матеріалів, які містять тріщиноподібні дефекти в динамічному експерименті не може бути описана в термінах класичної теорії пружності, побудованій у припущенні лінійної залежності між напруженнями та деформаціями. Зокрема спостерігається спотворення форми біжучої або стоячої (в умовах резонансу) хвилі основної частоти, що в частотній області розглядається як генерування гармонік. Вважається, що ці явища пов'язані з розкриттям і закриттям тріщиноподібних дефектів внаслідок зміни напруженого стану деталі. Відомий, також, спосіб контролю виявлення тріщин з використанням резонансної ультразвукової спектроскопії (патент № 5351543 США, кл. G01N 29/012, 04.10.1994). Відомий спосіб полягає в тому, що в робочій деталі в першому положенні збурюють акустичні коливання в обраному діапазоні частот для одержання першого резонансного спектру, що містить складові другі гармоніки, встановлюють робочу деталь в друге положення, одержують другий резонансний спектр, що містить складові другі гармоніки, і порівнюють перший та другий спектри для виявлення наявності тріщиноподібних дефектів. Як варіант пропонується порівнювати резонансні спектри сухої деталі та деталі, зволоженої рідиною для просочування тріщиноподібних дефектів. Недоліком відомого способу є необхідність переустановлення деталі або додавання операції зволожування деталі. Додаткові операції збільшують трудомісткість контролю, а точність контролю є невисокою внаслідок залежності амплітуд піків різних форм коливань в резонансному спектрі деталі від її положення відносно перетворювачів. Проте відомо, що амплітуда другої гармоніки залежить від амплітуди деформації зразка і можливо амплітуда гармонік не буде перевищувати рівня шуму. Це спричиняє похибку при визначенні дефектності зразка відомим способом. Іншим недоліком є неможливість застосування відомого способу для визначення зміни дефектності в ході технологічних процесів, наприклад, спікання або полімеризації. Відомий, також, спосіб ультразвукового контролю (патент № 2007/0125174 А1 США, кл. G01Н 13/00, 07.06.2007), що за технічною суттю найбільш близький до рішення, що заявляється. Відомий спосіб полягає в збуренні в об'єкті ультразвукової хвилі на основній частоті, прийманні одержаної хвилі від об'єкта на основній частоті і принаймні одній частоті її гармоніки і визначенні параметру нелінійності, який потім використовується для визначення пошкодження від втоми, розміру зерен в субоб'ємі об'єкта або залишкових напружень. Як варіант збурення хвилі відбувається при різних напругах випромінювача, а параметр нелінійності є функцією амплітуди другої гармоніки і квадрату амплітуди основної частоти. Недоліком відомого способу є низька точність, пов'язана з тим, що при малих амплітудах сигналу збурення, зокрема в матеріалах з високим рівнем розсіювання енергії, наприклад в порошкових матеріалах, амплітуда гармонік не буде перевищувати рівня шуму, а при підвищенні напруги, що подається на випромінювач, на ньому виникають паразитні гармоніки, які входять як складові до виміряних амплітуд другої та вищих гармонік. В основу винаходу поставлена задача підвищення точності визначення дефектності виробів або зразків матеріалів, зокрема пористих порошкових та композитних матеріалів, що мають 1 UA 103716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 різну структуру, за результатами вимірювань нелінійних акустичних характеристик з однієї установки. Поставлена задача вирішується тим, що в контрольованому виробі або в зразку із досліджуваного матеріалу збурюють механічні коливання і вимірюють амплітуду коливань А0 виробу з частотою збурення f0 та одночасно вимірюють амплітуду принаймні однієї гармоніки коливань Аn виробу з частотою nf0, згідно з винаходом, змінюють декілька разів параметри сигналу збурення випромінювача так, щоб амплітуда коливань А0 виробу на основній частоті f0 збільшилась, амплітуди гармонік коливань Аn виробу вимірюють на декількох рівнях амплітуди коливань А0, при цьому найменша з амплітуд вимірюваних гармонік перевищує рівень шуму більш ніж втричі, потім за отриманими даними вимірювань визначають функцію відношення амплітуд An/A0 та похідну згаданої функції по амплітуді коливань A0 виробу, а за значенням відношення амплітуд An/A0 на заданому рівні А0 або за значенням згаданої похідної визначають дефектність контрольованого виробу або зразка із досліджуваного матеріалу. Крім того механічні коливання збурюють в околі принаймні однієї з резонансних частот зразка, і, як варіант, змін амплітуди коливань виробу або зразка в околі резонансної частоти, досягають зміною частоти збурення коливань. Позитивний ефект у запропонованому винаході досягається за рахунок того, що одночасно з вимірюванням амплітуд коливань з основною частотою і з частотою гармонік додатково визначають рівень шуму, який накладається на вимірюваний сигнал і, при малих амплітудах вимірюваного сигналу, може істотно вплинути на результат вимірювання амплітуд гармонік і спричинити грубу помилку у визначенні дефектності. Вимірювання амплітуд гармонік Аn при декількох рівнях амплітуди коливань зразка на основній частоті А0, коли найменша з амплітуд вимірюваних гармонік перевищує рівень шуму принаймні втричі, дозволяє запобігти грубим помилкам. Дослідження дефектності виробів з матеріалів, яким притаманний високий рівень розсіювання енергії, наприклад з композитних та пористих матеріалів, що виготовляються за порошковими технологіями, відомими способами вимагає застосування випромінювачів великої потужності, в яких виникають паразитні гармоніки відносно великих амплітуд. Використання резонансного режиму коливань виробу дозволяє застосовувати випромінювачі меншої потужності, аніж при вимірюваннях на частотах, далеких від резонансу деталі, оскільки в резонансному режимі коливання деталі відбуваються з більшими амплітудами. Амплітуди коливань випромінювача при цьому на порядок менші, тому внесок амплітуди паразитної гармоніки коливань випромінювача до вимірюваної амплітуди гармоніки є істотно меншим. Якщо амплітуди А0 та Аn коливань зразка в околі резонансної частоти змінюються за рахунок зміни частоти коливань випромінювача при незмінній амплітуді його коливань, то параметри паразитної гармоніки коливань випромінювача залишатимуться сталими при всіх значеннях амплітуди коливань зразка, а тому не впливатимуть на вид залежності між амплітудами А0 та Аn коливань зразка. При визначенні дефектності матеріалів, структура яких змінюється, наприклад, в процесі виготовлення, коли акустичні характеристики матеріалу змінюються на порядки, іноді неможливо досягти однакового рівня амплітуди коливань при вимірюваннях, а також проводити вимірювання у відносно широкому діапазоні амплітуд. При застосуванні методу, що пропонується, амплітуда основної гармоніки коливань може бути змінена в десятки разів, що, по-перше, дає можливість проводити вимірювання в широкому діапазоні амплітуд коливань, а по-друге, дає змогу порівняти вимірювані характеристики на одному рівні амплітуд коливань, завдяки перекриттю діапазонів. Всі вказані відмінності дають змогу зменшити похибку при визначенні дефектності та ідентифікації видів дефектів виробів або зразків, фізичні властивості яких істотно відрізняються. Запропонований спосіб визначення дефектності матеріалу переважно реалізується таким чином: 1) в деталі або в зразку із досліджуваного матеріалу збуджують вимушені механічні коливання з частою f01, що лежить в межах резонансної кривої принаймні однієї з форм коливань; 2) вимірюють величину амплітуди коливань деталі A01 з частотою f01; 3) одночасно вимірюють величину амплітуди принаймні однієї гармоніки коливань деталі Аn1 з частотою nf01; 4) порівнюють величину Аn з рівнем завад і, якщо величина Аn не перевищує рівня завад втричі, такі дані в подальшому не враховуються; 5) змінюють частоту сигналу збудження випромінювача так, щоб амплітуда коливань зразка на основній частоті збільшилась, і повторюють кроки 1-4; 2 UA 103716 C2 5 10 15 6) повторюють крок 5 необхідну кількість раз для побудови функції відношення амплітуд An/A0, будують таку функцію, а також похідну згаданої функції по амплітуді коливань зразка А0; 7) за побудованими залежностями роблять висновок про дефектність матеріалу. Приклад реалізації запропонованого способу Вимірювання проводили на зразках титану пористістю θ=0,05, спечених за температури Ts=773 К та за температури Ts=973 К. Зразок встановлювали між двома п'єзоелектричними перетворювачами, один з яких використовувався для збурення коливань в зразку, а інший - для реєстрації параметрів коливань зразка. На перший перетворювач з цифрового генератора подавали електричний сигнал синусоїдальної форми. З другого перетворювача електричний сигнал надходив па цифровий аналізатор спектру. Вимірювання амплітуд проводили на частотах, близьких до резонансної частоти першої моди поздовжніх коливань стрижневого зразка. Таким методом були виміряні амплітуда коливань А0 на основній частоті f0 та амплітуда другої гармоніки А2 на частоті та 2f0 при декількох частотах збурення в околі резонансу зразка і обчислені значення А2/А0, а також значення похідної функції А2/А0 по А0 за результатами двох або трьох вимірювань при рівні шуму 10 мкВ. Для порівняння на тому ж зразку також провели вимірювання відомим способом, коли рівень амплітуди А2 був менший за потроєний рівень 2 шуму, та обчислили значення А2/А0 . Результати вимірювань наведені в таблиці 1. Таблиця 1 TS, K Відомий спосіб Амплітуда Амплітуда A0, мВ А2, мкВ 2 А2/А0 773 25 6,04 0,422 973 20 3,7844 5,6234 11,14 0,352 Амплітуда А0, мВ 7,4989 8,3560 12,6474 14,0929 18,7932 Спосіб, що пропонується Амплітуда 3 (A2/A0)/A0, В (А2/А0)·10 1 А2, мкВ 29,41 3,92 0,34 35,24 4,22 31,08 2,46 38,59 2,74 0,11 59,43 3,16 Наведений приклад показує більшу чутливість способу, що пропонується, до наявності дефектів між частинками порошку внаслідок впливу завад та паразитних гармонік при вимірюванні відомим способом. Другий приклад реалізації запропонованого способу. Вимірювання проводили на зразку пористістю θ=0,236 з оксиду алюмінію, спеченого при Ts=1673 K описаним вище методом при такому самому рівні шуму 10 мкВ. Значення похідної функції (А2/А0)/А0 визначали за результатами перших трьох, чотирьох, п'яти та шести вимірювань. Результати наведені в таблиці 2. Таблиця 2 Відомий спосіб Амплітуда A0, Амплітуда А2, мВ мкВ 4,9 5,43 5,6 5,05 7,5 3,78 8.0 7,77 8,4 11,97 15,1 18,13 30 35 2 А2/А0 0,229 0,160 0,067 0,120 0,170 0,079 Спосіб, що пропонується Амплітуда А0, Амплітуда А2, 3 (А2/А0)·10 (А2/А0)/А0, В-1 мВ мкВ 24,2 28,94 1,20 29,4 45,29 1,54 43,7 103,63 2,37 0,0598 48,7 119,67 2,46 0,0532 58,3 205,35 3,52 0,0637 60,4 190,99 3,16 0,0594 З наведених даних видно, що значення параметру (А2/А0)/А0, який визначається за 2 способом, що пропонується, мають менше розсіювання, ніж значення параметра A2/A0 , одержані відомим способом, і тому точність визначення дефектності за способом, що пропонується, є більшою. Враховуючи, що застосування способу, що пропонується, планується при контролі дефектності та якості спікання деталей, які виготовляють методами порошкової металургії, при порівнянні з відомим способом він забезпечує підвищення достовірності контролю якості спікання виробів, зменшення кількості пропущених дефектних деталей при контролі і, як наслідок, зменшення кількості відмов виробів в процесі експлуатації. 3 UA 103716 C2 Спосіб може бути застосовано в машинобудуванні та порошковій металургії для діагностики дефектності виробів, при неруйнівному контролі якості спікання і дефектності виробів або, - в лабораторних умовах, - зразків. 5 10 15 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб визначення дефектності матеріалів, який полягає в тому, що в контрольованому виробі або в зразку із досліджуваного матеріалу збурюють механічні коливання і вимірюють амплітуду коливань А0 виробу з частотою збурення f0 та одночасно вимірюють амплітуду принаймні однієї гармоніки коливань Аn виробу з частотою nf0, який відрізняється тим, що змінюють декілька разів параметри сигналу збурення випромінювача так, щоб амплітуда коливань А0 виробу на основній частоті f0 збільшилась, амплітуди гармонік коливань Аn виробу вимірюють на декількох рівнях амплітуди коливань А0, при цьому найменша з амплітуд вимірюваних гармонік перевищує рівень шуму більш ніж втричі, потім за отриманими даними вимірювань визначають функцію відношення амплітуд An/A0 та похідну згаданої функції по амплітуді коливань A0 виробу, а за значенням відношення амплітуд An/A0 на заданому рівні А0 або за значенням згаданої похідної визначають дефектність контрольованого виробу або зразка із досліджуваного матеріалу. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що механічні коливання збурюють в околі принаймні однієї з резонансних частот виробу або зразка. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що зміни амплітуди коливань виробу в околі резонансної частоти досягають зміною частоти збурення коливань. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4