В конце главы приведены примеры реализации на практике волновых методов: контроль качества газотермических покрытий; методика оценки фактического ресурса турбинных лопаток.

Рис. 14. Связь между значением скорости продольной непрерывной монохроматической упругой волны в чугуне с различной структурой и значением N - отношение уровня основной гармоники зондирующей волны на частоте 4 МГц к уровню второй гармоники на частоте 8 МГц (измерения проводились в полосе частот 9 кГц селективным вольтметром SMV-11)

В пятой главе исследуются физико-механические свойства материалов со сложной структурой методами акустического зондирования. В начале главы рассмотрены возможности ультразвукового неразрушающего контроля для исследования свойств материалов.

Для проведения исследований специфических свойств материалов, обусловленных структурой среды, предложено использовать специально созданные модельные среды с микроструктурой, максимально учитывающие допущения и ограничения, принятые при разработке математической модели динамики таких сред.

Разработана технология изготовления гранулированной среды, которая позволила создавать образцы из этого материала разной длины. Структура материала представляет собой гранулы вольфрама круглой формы диаметром от 0,02 до 0,2 мм в матрице из эпоксидного компауда. Экспериментальное исследование волн деформации в гранулированной среде проводились на установке, реализующей метод Кольского и разработанной в НИИ механики Нижегородского госуниверситета (НИИМ ННГУ) А.М.Браговым и А.К.Ломуновым. В классическом варианте метода Кольского используются короткие образцы длиной меньше диаметра. В них реализуется однородное напряженно-деформированное состояние. В проводимых автором экспериментах использовались длинные образцы, в которых напряженно-деформированное состояние не является однородным, а представляет собой наложение бегущих волн деформации.

Рис.15. Отклик эталонного образца из алюминиевого сплава

Рис.16. Отклик образца длиной 75 мм из материала с микроструктурой.

Такое отступление от метода Кольского допущено осознанно, так как целью исследования является измерение кинематических и динамических характеристик волнового процесса в образце, а не выявление квазистатической зависимости между напряжением и деформацией в материале. Типичные осциллограммы отклика образца на динамическое воздействие показаны на рис. 15, 16. Различия в откликах состоят не только поглощении сигнала, связанного различной диссипацией энергии колебаний в материале, но и в появлении на осциллограмме новых дополнительных колебаний. Этот эффект обусловлен существованием в среде с внутренней структурой новых типов колебаний, предсказываемых теорией микрополярной среды, где могут существовать волны микровращений. Дисперсия волн в модельной гранулированной среде может быть описана уравнениями моментной теории упругости:

плоской продольной волны, согласно вышеприведенному уравнению, связаны соотношением:

, равный 4,5?10-4 м, являющийся размерной характеристикой пространственной структуры.

60 м/с. Нормальные акустические свойства наблюдались в зоне №3. Затухание составило величину 0,7-1,4 дБ/см при скорости звука 5420 м/с. Результаты проведенных исследований с очевидностью показывают эффективность акустического метода контроля за структурой, а следовательно за качеством чугуна. Перспективность применения предлагаемого метода на производстве обусловлена тем, что контроль происходит на изделии без его разрушения; результаты контроля определяют пространственную область нарушения акустических свойств литья, что по образцам сделать невозможно; по значению затухания и скорости волны делается однозначный вывод о характере структуры чугуна в этой области и степени отклонения структуры от норм и, наконец, контроль свойств чугуна осуществляется стандартным дефектоскопом.

Рис. 17. Микроструктура образца из чугуна в зоне №1

Исследуемые в работе углеродо-карбидокремниевые композиты, благодаря технологии их создания, обладают сложной внутренней конструкцией, уникальными механическими и физическими свойствами. Справочные данные об акустических характеристиках материала такого типа не известны и, по-видимому, впервые исследовались в настоящей работе. Оценка акустических свойств исследуемого композита проводилась по данным эксперимента, в котором фиксировались основные параметры, характеризующие процесс распространения импульса в среде: амплитуда и время прихода эхо-импульса.

Для разработки принципа диагностики исследовались разные образцы материала типа SILCAR разного качества.. Образцы представляли собой параллелепипеды размерами 60х50х40 мм, сделанные из материала разного качества. Были измерены скорости продольной и сдвиговой волн. Данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Параметры SILCAR Частота, МГц Е, ГПа Коэффициент Пуассона Плотность,

Образец №1

Скорость волн, м/с 11200 11200 11290 354 0,18 3000

Образец №2

Скорость волн, м/с 6330 6470 6430 144 0,14 3720

Хотя внутренних несплошностейдефектов в обоих образцах не обнаружено, контроль качества изготовления материала SILCAR очевидно, что по результатам акустических измерений оказался контроль качества изготовления материала SILCAR возможен. На представленных образцах были пПроведены измерения спектрального состава импульса механических ультразвуковых колебаний, прошедших известное расстояние в силицированном графите. Выяснилось, что частотный состав прошедшего среду импульса существенно зависит от качества среды. Значение центральной частоты импульса, зондирующего качественный SILCAR, отличалось на 10% от значения центральной частоты импульса, зондирующего SILCAR, структура которого не соответствовала необходимым требованиям.

Таким образом, некачественное изготовление композита SILCAR приводит изменению скорости распространения импульса ультразвуковой волны в среде, к сдвигу частоты в импульсе, что полностью согласуется с выводами теории упругости микронеоднородных сред. Практический интерес вызывает возможность оценки параметров кристаллической структуры по частотно-зависимому затуханию (рис. 18).

Поиск диагностического признака базировался на результатах анализа особенностей затухания волн в некристаллическом (оргстекло), поликристаллическом (сталь) и испытуемом материалах. Ход кривой частотно-зависимого затухания однозначно указывал на структурные особенности внутренней конструкции материала. Из представленных графиков видно, что внутреннее строение силицированного графита ближе к поликристаллической структуре. Микротрещины размерами менее 1 мкм стандартными методами не могут быть обнаружены, хотя наличие таких микротрещин оказывает определяющее влияние на прочность материал.

Рис.18. Частотно-зависимое затухание в разных материалах

В этой ситуации ультразвуковые волны, возможно, единственный удобный инструмент экспресс-контроля состояния материала, позволяющего оценить фактический ресурс изделия.

Ультразвуковая волна, в отличие от других "датчиков", обладает свойством интегрировать, накапливать эффект по мере распространения в поврежденном материале. Это свойство уникально в ситуациях, когда материал имеет не одиночные повреждения, а множество рассеянных микроповреждений (микротрещин, микрорасслоений). Такие микронарушения стандартными методами дефектоскопии обнаружить не удается.

Проверка этой идеи проведена на турбинных лопатках, выработавших свой нормативный ресурс. По схеме, показанной на рис. 19, были измерены значения скорости продольных и поверхностных волн по всей поверхности лопатки, а также параметр дисперсии по предложенной методике (рис.8). Несмотря на отсутствие точной в количественном отношении теории распространения волн в реальных поврежденных материалах, а следовательно соответствующих функциональных связей параметров волны со структурными изменениями, удалось обнаружить как минимум два параметра акустических волн, пригодных для текущего ультразвукового экспресс-контроля состояния материала и оценки фактической наработки эксплуатируемых изделий – это характер дисперсии продольной волны и значение скорости волн Рэлея в материале изделия, причем первый параметр-дисперсионный-более чувствителен к техническому состояния материала, чем второй-скорость поверхностной волны.

Рис. 19. Схема установки для проведения акустического зондирования турбинной лопатки

В конце главы приведены примеры реализации на практике волновых методов: контроль качества чугуна с шаровидным графитом; методика исследования закономерностей распространения волн в одномерных упругих системах; ультразвуковой фазовый метод измерения расхода газа в трубопроводе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дано экспериментальное обоснование модуляционного метода измерений низкочастотных полей деформаций в изотропном твердом теле с помощью плоских, цилиндрических, сферических волн и квазиплоских пучков в натурных условиях в натурных условиях.

2. Разработаны методики оценки интегральных характеристик деформаций в элементах машин и конструкций при динамических и импульсных нагружениях, базирующихся на реконструкции поля деформации по данным акустического зондирования.

3.Теоретически и экспериментально обоснован метод измерения распределения внутренних динамических деформаций в поперечном сечении волноводных элементов машин и конструкций.

4. Проведено обоснование технических требований и метрологических характеристик модуляционного метода измерения динамических и импульсных деформаций в элементах машин.

5.Экспериментально обоснована возможность использования дисперсионных и нелинейных характеристик акустических волн в качестве диагностического признака технического состояния материала.

6. Разработаны и внедрены инженерные методики контроля технического состояния конструкционных материалов методами акустического зондирования

Основные публикации по теме диссертации:

1.Леушин И.О., Родюшкин В.М., Калистов С.В. Оценка однородности структуры чугуна методом акустического зондирования // Заготовительное производство в машиностроении. 2007. №7.С.37-39.

2.Ерофеев В.И., Мишакин В.В., Родюшкин В.М., Шарабанова А.В. Генерация сдвиговых волн удвоенной частоты в материалах, по-разному сопротивляющихся растяжению и сжатию // Дефектоскопия. 2006. № 4. С. 28-36.