Способ ультразвукового контроля среднего размера зерна материала движущегося листового проката
Изобретение относится к методам исследования внутреннего строения материала с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности. Повышение точности определения среднего размера зерна материала достигается за счет того, что излучают импульсы упругих волн нормально к поверхности изделия, расположенного в иммерсионной жидкости, принимают первый и второй прошедшие через лист импульсы и импульс, прошедший через слой иммерсионной жидкости. Измеряют значение третьей гармоники первого прошедшего импульса, первой гармоники второго прошедшего импульса, первой и третьей гармоники импульса, прошедшего через жидкость. Измеряют временные интервалы между посылкой импульсов и временами прихода первого и второго прошедшего через лист импульсов и импульса, прошедшего через воду. Средний размер зерна в прозвучиваемой области материала определяют по определенной формуле. 3 ил.
Изобретение относится к методам исследования внутреннего строения материала с помощью ультразвуковых волн. Главным образом оно может быть использовано для контроля структуры металлопроката в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности.
Основным способом определения структуры материала в промышленности является метод металлографического анализа [1], заключающийся в измерении размеров зерен материала, видимых визуально или в микроскоп на шлифованной, полированной и протравленной кислотами поверхности образцов, вырезанных из соответствующих участков изделий. Недостатком такого способа является трудоемкость измерений и определение размеров зерна поверхностных слоев образца. Известен акустический способ определения среднего размера зерна материала (балла), основанный на измерении структурных характеристик [2]. Под структурным коэффициентом образца понимается отношение амплитуды донных сигналов Aj при контроле эхо-методом Kj=Afj/Af1, измеренных на частоте fj и частоте f1<а время t - сигнала, прошедшего через воду
t=L/Co. (3)
Неизвестная толщина материала в точке прозвучивания определяется из решения уравнений (1-3):
Кроме этого измеряется третья гармоника U1(3f) первого U1 прошедшего через лист импульса, первая гармоника U2(f1) второго U2 прошедшего через лист импульса, а также первая U(f1) и третья U(3f1) гармоника импульса U, прошедшего через жидкость. Значения этих гармонических составляющих в соответствии с уравнением акустического тракта [4] можно записать:
где (КV)fj - коэффициент двойного электромеханического преобразования излучателя 2 и приемника 5 на частоте fj; (UГ)fj - амплитуда возбуждающего электрического напряжения на частоте fj, подаваемого на преобразователь 2 от генератора 1; D* - коэффициент прозрачности границы раздела жидкость-твердое тело по энергии; - коэффициент затухания звука; F - функции, зависящие от частоты fj, размера преобразователя а и расстояний в акустическом тракте (Н или L), учитывающие дифракционное ослабление звукового пучка. Эти выражения можно определить из уравнения акустического тракта для сквозного прозвучивания или по АРД - диаграммам [4]. Коэффициент затухания звука в поликристаллических материалах в области может быть представлен в виде [4]:
где П - коэффициент поглощения; P - коэффициент рассеяния; средний размер зерна материала; - длина волны ультразвука в материале изделия; А и В - коэффициенты, не зависящие от частоты. Отношение значений спектральных компонент прошедших через лист сигналов на частотах f1 и 3f1 (5 и 6) с учетом (7,8 и 9) позволяет определить средний размер зерна:
Видно, что выражение (10) является функцией коэффициента В, характеризующего рассеяние звука в материале. Значение параметра В для различных поликристаллических материалов может быть определено из экспериментальных исследований коэффициента рассеяния звука. Для широкого круга материалов, таких как сталь [5], медь, алюминий [6], известны численные или функциональные значения этого параметра. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически представлено устройство, реализующее способ измерений, на фиг. 2а - временные диаграммы прошедших через лист сигналов, на фиг.2б - сигнал, прошедший через жидкость, а на фиг.2в и 2г - огибающие этих сигналов. На фиг.3а, 36 и 3в - амплитудные спектры первого и второго прошедших через лист сигналов и сигнала, прошедшего через жидкость. На фиг.1 используются обозначения:
1. генератор высокочастотных электрических импульсов, который служит для возбуждения преобразователя;
2. излучающий преобразователь;
3. иммерсионная жидкость;
4. контролируемое изделие;
5. приемный преобразователь;
6. усилитель с детектором;
7. спектроанализатор;
8. измеритель временных интервалов. Рассмотрение предлагаемого способа показывает, что он позволяет реализовать более высокую точность измерения среднего размера зерна материала движущегося листового проката за счет измерения толщины листа в каждой точке прозвучивания. Источники информации
1. Шулаев И. Л. Контроль в производстве черных металлов. М.: Металлургия, 1978. 2. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник под ред. Самойловича Г.С. Машиностроение, 1976. 3. Способ ультразвукового контроля среднего размера зерна материала. Патент РФ 2141652, Б. И. 32, 1999. 4. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Акустические методы контроля. Т. 2, М.: Высшая школа, 1991. 5. Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком (краткий справочник), М.: ЦНИИТМАШ, 1992. 6. Меркулов Л. Г. Поглощение и рассеяние ультразвука в поликристаллических средах. Известия ЛЭТИ, вып. 31, 1957, с.3-29.
Формула изобретения
где U(3f1) - значение третьей гармоники принятого преобразователем импульса, прошедшего через иммерсионную жидкость при отсутствии листа в акустическом тракте;
U(f1) - значение первой гармоники импульса, прошедшего через иммерсионную жидкость;
U1(3f1) - значение третьей гармоники первого прошедшего через лист импульса;
U2(f1) - значение первой гармоники второго прошедшего через лист импульса;
F - функция, учитывающая дифракционное ослабление звукового сигнала в акустическом тракте;
k0 - волновое число в жидкости на частоте f1;
a - радиус преобразователя;
L - расстояние между излучателем и приемником;
k1 -волновое число в материале изделия на частоте f1;
Н - толщина изделия;
t - временной интервал между посылкой и приемом импульса, прошедшего через иммерсионную жидкость;
t1 - временной интервал между посылкой и приемом первого прошедшего импульса;
t2 - временной интервал между посылкой и приемом второго прошедшего импульса;
В - коэффициент, характеризующий рассеяние звука в материале изделия.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3