Оглавление
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ.....................................................8
1 УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА.......................................15
1.1 Физические основы затухания в материалах, имеющих кристаллическую структуру............................15
1.1.1 Особенности кристаллического строения металлов, влияющие на затухание ультразвуковых волн в них........15
1.1.2 Затухание ультразвуковых колебаний в кристаллических материалах.............................18
1.2 Методы определения структурных характеристик материалов с помощью ультразвуковых колебаний........30
1.2.1 Варианты применения ультразвуковой
структуроског г ии.....................................30
1.2.2 Относительный метод ультразвукового структурного анализа металлов.......................................31
1.2.3 Контроль свойств чугунов с помощью измерения скорости звука в образцах..............................36
Выводы по разделу 1.......................................39
2 ФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕЗЭТАЛОННОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЗЕРНА МАТЕРИАЛА....................42
2.1 Разработка безэталонного метода измерения среднего размера зерна материала...........:.......................42
2.1.1 Исходные данные для расчета среднег о размера зерна материала..............................................42
2.1.2 Вывод аналитических соотношений для количественной оценки для безэталонного метода измерения среднего размера зерна материала............:..........43
2.1.3 Математическая модель оценки дифракционных потерь
в измерительном тракте..................................49
2.1.4 Математическая модель оценки потерь на отражение
в измерительном тракте..................................51
2.1.5 Учет амплитудного множителя при коэффициенте рассеивания.............................................53
2.2 Экспериментальное подтверждение корректности разработанного метода......................................54
2.2.1 Цель эксперимента.................................54
2.2.2 Проверка соответствия реальных (определенных при металлографическом исследовании) и измеренных безэталонным способом размеров зерна материала .........54
2.2.3 Оценка акустических характеристик материала на образцах, используемых при проверке корректности безэталонного метода определения размера зерна материала.76
Выводы по разделу 2........................................78
3 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
МАТЕРИАЛОВ................................................... 80
3.1 Ультразвуковые микропроцессорные дефектоскопы и их характеристики.............................................80
3.1.1 Современное состояние рынка ручных ультразвуковых дефектоскопов...........................................80
3.1.2 Характеристики ультразвуковых дефектоскопов, важные для целей ультразвуковой структуроскопии.........81
3.2 Разработка и применение методики оценки характеристик средств акустических измерений на базе экспертных оценок ...83
3.2.1 Выбор представительного перечня параметров аппаратного средства....................................83
4
3.2.2 Экспертная оценка преимуществ проектируемого
аппаратного средства.....................................87
3.3 Ультразвуковой универсальный дефектоскоп «Пеленг»
УДЗ-204.....................................................99
3.3.1 Параметры приёмо-возбудителя.......................99
3.3.2 Параметры устройств обработки и вывода информации..............................................100
3.3.3 Конструктивные параметры..........................100
Выводы по разделу 3........................................101
4 РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ БЕЗЭТАЛОННОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЗЕРНА МАТЕРИАЛА........................................102
4.1 Разработка пьезопреобразователей для безэталонного
метода измерения среднего размера зерна материала..........102
4.2 Разработка алгоритма измерения среднего размера зерна материала для дефектоскопа УДЗ-204.....................104
4.2.1 Общие требования и принцип работы алгоритма измерения среднего размера зерна материала для дефектоскопа УДЗ-204....................................104
4.2.2 Анализ амплитуд донных сигналов...................106
4.2.3 Определение потерь в образце, не зависящих от затухания и граничных эффектов..........................107
4.2.4 Расчёт и вывод на экран дефектоскопа среднего
размера зерна материала.................................108
4.2.5 Особенности измерения среднего размера зерна с помощью дефектоскопа "11еленг" УДЗ-204..................109
4.2.6 Указания по поверке структуроскона................110
Выводы по разделу 4........................................116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................118
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................122
ПРИЛОЖЕНИЕ А Отчет о проведении металлографического
исследования.................................132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Патент на изобретение №2334224 "СПОСОБ
ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЗЕРНА МАТЕРИАЛА УЛЬТРАЗВУКОВЫМ
МЕТОДОМ".....................................136
ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт о внедрении результатов диссертационной
работы.......................................139
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Дополнения к перечню общих характеристик
ультразвуковых дефектоскопов, исследуемых в
разделе 3....................................140
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Анкета опроса эксперта, оценивающего
аппаратные средства с точки зрения их пригодности к созданию на их базе ультразвукового структуроскона...............149
f
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АРД - амплитуда - расстояние - диаметр
АРК — кривая амплитуда — расстояние
АРУ - автоматическая регулировка усиления ч
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
ВРЧ / — временная регулировка чувствительности
ЖК — жидкокристаллический
нтд - нормативно-техническая документация
П — положение середины строба
ПО — программное обеспечение
пэп - пьезоэлектрический преобразователь
PC — радиосигнал
УЗК - ультразвуковые колебания
цлп — цифро-аналоговый преобразователь
III - ширина строба
ЭЛ — электролюминесцентный
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка
А -амплитудный множитель при коэффициенте поглощения
а - радиус преобразователя
в — амплитудный множитель при коэффициенте рассеяния
ъ . - отношение скоростей продольной и поперечной волн
С1 - скорость продольных волн в металле
С, - скорость поперечных волн в металле
п - средний линейный размер зерен металла
DAC — distance amplitude correction (выравнивание амплитуды по расстоянию)
Е - доверительный интервал
F — функция, описывающая дифракционные потери
/ - частота ультразвуковых колебаний
7
Ор.-вн — обозначения среднего размера зерна в баллах Н - количество объектов
И - толщина образца
К — коэффициент двойного преобразования
К}...К3 —структурные коэффициенты к - количество экспертов
к1 - волновое число продольных волн
/, - усредненная оценка
п - количество измерений
К - функция, описывающая потери на отражение
г - пройденное волной расстояние
£ - число степеней свободы
5 - обобщенная толщина образца
/ — коэффициент Стьюдента
и , - амплитуда волны после прохождения пути в реальном объекте
и0 - амплитуда волны, излученная в реальный объект
и,. — амплитуда зондирующего импульса дефектоскопа
V - относительный вес аппаратного средства
]У - коэффициент конкордации
¥ - экспертная оценка
<5 — коэффициент затухания
<5/7 - коэффициент поглощения
др — коэффициент рассеяния
X. — длина волны ультразвука
р - плотность металла
сг — среднеквадратическое отклонение измерений
X2 - критерий 11ирсона
8
ВВЕДЕНИЕ
Основными материалами, из которых изготавливают машины и оборудование для различных отраслей промышленности (энергомашиностроения, тяжелого и транспортного машиностроения, станкостроения, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности, сельскохозяйственного машиностроения, гражданского и промышленного строительства и пр.) являются металлы и их сплавы. Для выпуска высококачественной продукции особое значение имеет лабораторное исследование свойств промышленных металлических материалов. Важнейшей характеристикой любого сплава является средняя величина его зерна.
Основным методом определения величины зерна, применяемым п заводских лабораториях, было и остается металлографическое исследование структуры металла с помощью микроскопа. К достоинствам металлографического исследования следует отнести:
• высокую достоверность получаемых результатов;
• получение фотографии шлифа, которая является документом контроля и может быть приложена к отчету, паспорту изделия и т.п.
• отсутствие необходимости изготовления специальных настроечных образцов.
К недостаткам металлографического исследования можно отнести следующее:
• невозможность измерить размер зерна в толще образца, так как измерение проводится на поверхности шлифа, который расположен на одной из граней изделия;
• при отборе пробы для металлографического исследования разрушается объект контроля, что не позволяет отнести металлографическое исследование к неразрушающему контролю;
9
• металлографическое исследование занимает длительное время, и эго затрудняет использование его результатов для оперативной корректировки параметров технологического процесса;
• стоимость металлографического исследования очень высока, так как оно требует высокой квалификации сотрудников лаборатории, дорогостоящего оборудования и расходных материалов. Так, стоимость измерения размера зерна на одном образце составляла в 2008 г. несколько тысяч рублей.
Действующий в настоящее время ГОСТ 5639-82 «Сталь. Методы выявления и определения величины зерна» разрешает измерять средний размер зерна ультразвуковым методом. Однако существующий относительный метод измерения среднего размера зерна, описанный в предыдущем варианте ГОСТ 5639, требует предварительной настройки по образцам, материал и размеры которых должны совпадать с материалом и размерами исследуемого объекта, а средний размер зерна известен. Это позволяет использовать относительный метод измерения среднего размера зерна только при очень большом количестве одинаковых изделий, подлежащих контролю зернистости, то есть в составе установок, работающих в потоке.
В целом, актуальность темы настоящей диссертационной работы заключается в решении комплекса вопросов по разработке метода и оборудования для безэталонного измерения среднего размера зерна металла, являющегося составной частью научной и прикладной проблемы повышения метрологических характеристик и информативности в системах технического контроля и управления качеством.
Предметом исследования в настоящей диссертационной работе являются физические процессы рассеяния ультразвуковых волн в материалах с кристаллической структурой.
10
Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются материалы металлургического производства с кристаллической структурой.
Целыо диссертационной работы является физическое обоснование, разработка и экспериментальная проверка безэталонного метода измерения среднего размера зерна металла с помощью ультразвуковых колебаний, а также создание оборудования для реализации этого метода. Разработанный алгоритм измерения среднего размера зерна рассчитан на внедрение его в состав программного обеспечения современных ультразвуковых дефектоскопов.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Разработка метода определения среднего размера зерен металлов на основе измерения и сравнения на кратных частотах степени ослабления упругих колебаний в мегагерцовом диапазоне частот.
2. Разработка электроакустического тракта измерительного стенда для определения относительного ослабления упругих колебаний в металлах в диапазоне ультразвуковых частот.
3. Экспериментальная оценка и сопоставление результатов измерения среднего размера зерен ультразвуковым методом с данными металлографического и других видов анализа.
4. Разработка рекомендаций по проектированию комплекса аппаратно-программных средств и создание опытных образцов структуромеров, предназначенных для мелкосерийного производства на базе ультразвукового дефектоскопа общего назначения.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1.При разработке безэгалонных ультразвуковых методов оценки среднего размера зерен металлов с поликристаллическим строением в качестве источника измерительной информации могут служить данные
11
относительных измерений степени ослабления упругих волн в образцах металлов в ультразвуковом диапазоне частот.
2. При определении количественных данных среднего размера зерна на основании ультразвуковых измерений безэталонным методом частные оценки должны проводиться на кратных частотах в ультразвуковом диапазоне в контактном варианте эхо-метода.
3. При разработке ультразвуковых структуроскопов в качестве базового варианта допустимо использование дефектоскопа общего назначения при работе в ультразвуковом диапазоне частот с
использованием специальной акустической системы, работающей на
кратных гармониках в режиме возбуждения и приема.
4. Экспериментально доказано необходимое для практики соответствие измерительных и расчетных данных среднего размера зерна материала в мегагерцовом диапазоне частот, что позволяет считать безэталонный метод ультразвуковых измерений на кратных гармониках эффективным средством при проведении анализа структуры металла.
Научная новизна диссертационной работы заключается в
следующем:
1. предложено измерять средний размер зерна материала с помощью ультразвуковых колебаний в контактном варианте без применения специальных образцов для настройки при условии выбора специальной системы параметров измерений;
2. предложены рекомендации по выбору последовательности частот ультразвуковых колебаний,' на которых целесообразно измерять средний размер зерна в образцах из различных сталей;
3. показано, что измерение среднего размера зерна с помощью ультразвуковых колебаний мегагерцового диапазона в контактном варианте в металлических изделиях без применения специальных образцов является реализуемым и эффективным методом
12
структуроскопии, реализуемым на базе универсальной дефектоскопической аппаратуры для целей экспресс-анализа;
4. разработан алгоритм, определяющий основу и принципы работы комплекса программно-аппаратных средств для реализации безэталонного метода измерения среднего размера зерна металла с помощью измерения амплитуд различных донных сигналов на различных частотах ультразвуковых колебаний.
Научные положения, выводы и рекомендации, представленные в диссертационной работе, строго аргументированы, обоснованы и базируются на положениях фундаментальных теоретических представлений и результатов системы специально организованных исследований.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов доказана на основании подтверждения сходимости теоретических положений с результатами проведенных экспериментов.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и пяти приложений.
В первом разделе рассмотрены теория кристаллического строения металлов и затухания в металлах ультразвуковых колебаний.
Также в первом разделе проведен обзор существующих методов определения механических характеристик металлов с помощью ультразвуковых колебаний.
Результаты анализа, проведенного в первом разделе позволили определить направление исследований и сформулировать задачи, решение которых обусловило достижение цели дайной диссертационной работы.
Второй раздел диссертационной работы посвящен разработке и исследованию безэталонного метода измерения среднего размера зерна материала. Следует отметить, что описываемый безэталонный способ измерения среднего размера зерна ультразвуковым способом защищен патентом на изобретение №2334224. Приведены теоретические расчеты, на их основе выявлены пары донных сигналов в образцах, которые необходимо измерять для определения среднего размера зерна в этих образцах.
13
В этом же разделе описан эксперимент, подтверждающий корректность разработанного метода и возможность применения теории затухания ультразвуковых колебаний к образцам, выполненным не из чистых металлов, а из сплавов.
В третьем разделе определено существующее аппаратное средство, максимально подходящее для создания на его базе ультразвукового сгруктуроскопа. Для этого проведен обзор и анализ возможностей современных ручных ультразвуковых дефектоскопов и их экспертиза (использовался метод экспертных оценок).
Четвертый раздел диссертационной работы посвящена разработке оборудования для реализации безэталонного метода определения среднего размера зерна на базе аппаратных средств, выбранных в третьем разделе.
Основные результаты работы приведены в заключении.
Содержание диссертации изложено на страницах и включает 51 рисунок, 25 таблиц и 97 наименований отечественной и зарубежной литературы.
Работа выполнялась на кафедре ЭУТ СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и в ООО «Длтек-наука».
Работа выполнена в результате реализации плана НИР ООО «Алтек-наука» за 2007, 2008, 2009 гг.
Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 15 статьях и докладах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Основные положения защищены авторским свидетельством на изобретение.
Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- И международная научно-техническая конференция "Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов" (республика Беларусь, Могилёв, 2006 г.);
- Київ+380960830922