Приём УЗ колебаний и исследование особенностей их распространения в ортотропно анизотропном твёрдом слое с целью измерения акустической анизотропии и физико-механических свойств проката

Приём УЗ колебаний и исследование особенностей их распространения в ортотропно анизотропном твёрдом слое с целью измерения акустической анизотропии и физико-механических свойств проката (статья от компании Акустические контрольные системы)

Введение

К наиболее распространённым видам конструкционных материалов относится прокат из сплавов алюминия, латуни, титана, углеродистых и нержавеющих сталей, для которого характерна анизотропия механических свойств (текстурная анизотропия). В целом ряде случаев использования проката в качестве исходного материала анизотропия оказывает существенное влияние на свойства производимого изделия. Так, при изготовлении узлов аэрокосмических систем, мембран для приборов измерения давления, при штамповке кузовов автомобилей, корпусов электрических машин и устройств, при глубокой вытяжке металла в процессе изготовления тары для консервной промышленности и при производстве бытовых приборов отклонения анизотропии от заданных значений приводят к снижению прочности, браку из-за плохой штампуемости, большим отходам металла, нарушению технологии производства массовой продукции.

Широкое использование анизотропных материалов в машиностроении, в частности, самолётостроении, кораблестроении и ракетостроении было бы невозможно без решения целого ряда задач в области распространения упругих волн в материалах, без исследования напряжённого состояния и прочности конструкций [1]. В связи с тем, что анизотропия проката проявляется в различных значениях скорости распространения сдвиговых ультразвуковых (УЗ) волн в направлении толщины проката для разных направлений вектора смещений в волне, для решения этих задач всё больше применяются акустические методы оценки параметров конструкционных материалов, а также напряжённо-деформированного состояния конструкций по скорости УЗ колебаний.

Выполненные в целом ряде работ исследования акустической анизотропии с использованием электромагнитно-акустического (ЭМА) возбуждения и приёма УЗ колебаний показали несомненную перспективность этого метода. Однако, в связи с громоздкостью и большой массой исследовательского оборудования, невозможностью использовать его при одностороннем доступе к исследуемому объекту и сложностью технологии обработки результатов метод не нашёл применения в производственных условиях.

Настоящая работа посвящена совершенствованию ЭМА возбуждения и приёма УЗ колебаний и исследованию особенностей их распространения в ортотропно анизотропном твёрдом слое с целью измерения акустической анизотропии и физико-механических свойств проката. В различных образцах проката измерены скорости распространения сдвиговых УЗ волн, по-разному поляризованных относительно направления прокатки (НП). По результатам этих измерений дана оценка влияния анизотропии на погрешность измерения скорости распространения УЗ колебаний и толщины проката. Выработаны требования к ЭМА прибору для акустических измерений в производственных условиях.

Упругие волны в ортотропно анизотропном твёрдом слое

В связи с особенностью технологии производства листового проката, включающей в себя процессы термомеханической обработки, физико-механические характеристики металла проката не одинаковы в различных направлениях. Это является результатом деформации кристаллов металла при прокатке и рекристаллизации при термическом воздействии [2].

В общем виде материал проката представляет собой ортотропно анизотропную среду [3-5]. Для прозвучивания проката по нормали к его поверхности при контроле толщины или исследовании физико-механических свойств возможно использование двух типов упругих волн с различными скоростями распространения, а именно - продольной и сдвиговой волны с горизонтальной относительно поверхности проката поляризацией (SH - волны). Как отмечается в [3], при наличии анизотропии все векторы смещения сдвиговых колебаний разлагаются на компоненты по двум главным направлениям упругости: вдоль и поперёк прокатки, а так как модули сдвига в этих направлениях различны (G13 <> G23) то различны и скорости SH - волн.

Если, следуя [3], расположить систему координат в соответствии с рис. 1, то продольной волне будет соответствовать скорость Czz сдвиговой волне со смещениями вдоль НП - скорость Czx а сдвиговой волне со смещениями поперек НП - Czy. Здесь первый индекс показывает направление распространения волны, а второй - направление смещения частиц среды. При эхо-импульсном методе исследований проката, аналогично [5], скорости определяют по формулам:

акустическую анизотропию - по формуле:

коэффициент Пуассона - по формуле:

Здесь d - толщина материала проката, t1, t2, t3 - время, за которое УЗ импульсы, соответственно, продольной волны, SH-волны со смещениями вдоль НП и SH-волны со смещениями поперёк НП дважды проходят толщину материала.

Методы исследования анизотропии

Исследования акустической анизотропии проката особенно активизировались в конце 60-х - 70-х годах прошлого столетия во Всесоюзном научно-исследовательском институте по разработке неразрушающих методов и средств контроля качества материалов (ВНИИНК) после появления ЭМА методов возбуждения и приёма продольных и сдвиговых ультразвуковых волн, что объясняется возможностью их одновременного возбуждения в локальной области исследуемого образца. Методам исследования анизотропии проката и оценке её влияния на технологические свойства проката, а также вопросам связи её параметров с напряжённо-деформированным состоянием и прочностными свойствами элементов ответственных конструкций посвящён целый ряд работ [3 - 12].

Исследования анизотропии листового проката, выполненные в работах специалистов ВНИИНК [3 - 5], базировались на импульсном резонансном методе, сущность которого заключается в воздействии на поверхность металлической пластины импульсом электромагнитного поля с изменяющейся высокой частотой и поляризующим магнитным полем. За счёт взаимодействия наведённого спиральной катушкой вихревого тока и нормальной или касательной составляющей магнитного поля при автоматическом качании частоты на основной частоте и частотах гармоник высшего порядка по толщине пластины возникают акустические резонансы, соответствующие продольной и двум сдвиговым волнам. По частотам резонансов рассчитывают скорости УЗ колебаний, акустическую анизотропию и коэффициент Пуассона [3 - 5].

Выполненные в [5] экспериментальные исследования на образцах холоднокатаной листовой стали в диапазоне толщин от 0,7 до 1,2 мм показали, что акустические измерения обеспечивают абсолютные погрешности измерения толщины листов - 0,004 мм, акустической анизотропии - 0,05%, коэффициента Пуассона - 0,001 и относительную погрешность измерения скорости - 0,3%. По результатам измерений получены численные значения скоростей, акустической анизотропии и коэффициентов Пуассона для 30-ти образцов из разных марок сталей, поставляемых отечественными предприятиями и зарубежными фирмами, проведено их сопоставление с данными об их штампуемости. Показано, что для холоднокатаной листовой стали с хорошей штампуемостью (брак до 0,5%) характерны величина акустической анизотропии не более 2% и коэффициент Пуассона v = 0,333 ± 0,003 (это соответствует случаю изотропного металла). При удовлетворительной штампуемости (брак до 2%) величина акустической анизотропии также не превышает 2%, а коэффициент Пуассона (приблизительно) v = 0,320. Для стального проката с неудовлетворительной штампуемостью (брак более 2%) величина акустической анизотропии превышает 2%, а коэффициент Пуассона (приблизительно) v = 0,300. Результаты исследований позволили сформулировать требования к качеству листового проката и условия получения листовой стали с высокой пластичностью [7, 8].

В [6] разработаны методика и приборы для измерения анизотропии в материалах в диапазоне толщин от 0,3 мм до 5 мм - резонансные и от 5 мм и выше - эхо-импульсные. Установлено, что, например, в дюралюминиевых образцах скорость сдвиговой волны с поляризацией в НП (3110 м/с) меньше, чем в перпендикулярном направлении (3152 м/с). В то же время, значение скорости, измеренной при ориентации вектора смещений сдвиговой горизонтально-поляризованной волны под углом 45° к НП, составило 3130 м/с.

В работе [9] рассмотрен метод фиксации минимума амплитуды одного из многократно отражённых импульсов при распространении двух сдвиговых волн со смещениями вдоль и поперёк НП. Показано, что из-за разницы в скорости распространения между ними появляется разность фаз , пропорциональная пути пробега и частоте ƒ ультразвуковых колебаний.

Влияние акустической анизотропии на характер распространения волн Лэмба рассматривалось в работах [10, 11]. Показано [10], что направления волнового вектора и вектора групповой скорости в общем случае не совпадают, что приводит к отклонению у.з. волны от своего первоначального направления. Измерены фазовые скорости симметричных и антисимметричных волн Лэмба s0, s1, a1 и a2 для широкого диапазона участков дисперсионных кривых. Показано, что из-за разницы скоростей распространения волны Лэмба вдоль и поперёк НП и связанных с этим явлений интерференции сигналов дисперсионные кривые для изотропного и анизотропного материала не совпадают. В связи с этим при выборе параметров возбуждающих сигналов необходимо учитывать анизотропию материала.

Однако, используемые авторами [3-5] методы и исследовательская аппаратура требовали двустороннего доступа к контролируемому изделию и не были приспособлены для контроля листов и труб в производственных условиях. Ввиду сложности процесса формирования информативных сигналов и обработки результатов измерений, эти методы и приборы не нашли широкого применения в практике производства и механической обработки проката листов и труб и к настоящему времени морально и физически устарели.

Тем не менее, авторы работы [11] вновь возвращаются к проблеме исследования анизотропии проката, причём принятая за основу методика измерений, на наш взгляд, также применима только в лабораторных условиях.

В [12] предлагается возбуждать ультразвуковую волну Лэмба в направлении, составляющем 45° к НП листа, и оценивать степень анизотропии по количеству колебаний в периоде биений принятого сигнала, связанных с разностью скоростей распространения волны Лэмба вдоль и поперёк НП.

В работе [13], посвящённой использованию поляризованного ультразвука для определения внутренней упругой анизотропии материалов, выполнены исследования зависимости относительного изменения скорости сдвиговых поляризованных волн от осевого давления для различных материалов (сплава Д16, стали 45 и оргстекла). С использованием выражения для относительного изменения скорости сдвиговых волн при простом одноосном сжатии¹

полученного Смитом [14], авторы экспериментально определили величины анизотропии для алюминиевого сплава и стали, а также константы третьего порядка для этих материалов. В этом выражении ( - скорости сдвиговых волн, поляризованных параллельно направлению давления и перпендикулярно ему); - скорость сдвиговой волны в изотропном материале; - напряжение одноосного сжатия; - упругая постоянная Ламе (второго порядка) и - упругая постоянная Мурнагана (третьего порядка) для изотропного материала. Возбуждение и приём сдвиговых колебаний осуществляли путём приклейки пьезопреобразователей из кварца - среза таким образом, чтобы их плоскости поляризации были взаимно-параллельны и составляли угол 45? с направлением усилия осевого сжатия. Повидимому, из-за сложности технологии и оборудования эти интересные в методическом отношении исследования в дальнейшем не получили продолжения.

Большой интерес представляют исследования зависимости акустической анизотропии материалов от величины усталостного нагружения [15, 16]. В [15] отмечено, что при усталостном нагружении кроме циклической деформации происходит непрерывное накопление односторонней деформации, которая вносит свой вклад в разрушение металла, а соотношение повреждённости от односторонне накопленной деформации и циклической деформации влияет на долговечность материала. Усталостное нагружение металла приводит к накоплению микропор, микротрещин, изменению дислокационной структуры и кристаллографической текстуры, влияющих на параметры распространения упругих волн. Авторы [15, 16] показали, что, когда на изменение геометрических размеров кроме деформации влияют другие факторы, например, коррозия, величину односторонней деформации можно оценивать по изменению величины акустической анизотропии, определяемой через время распространения объёмных упругих волн как , где - время распространения поперечных упругих волн, поляризованных вдоль и поперёк оси акустической анизотропии и продольной волны соответственно. Исследована зависимость акустической анизотропии от для статического и усталостного нагружения. Предложено выражение для аппроксимации связи между изменением анизотропии, определяемой текстурой материала, и . На основании полученных результатов авторами делается вывод о возможности оценки остаточного ресурса материала по анизотропии скоростей сдвиговых упругих волн в сочетании с ударным методом внедрения индентора. Интересно отметить, что, вопреки этим выводам, в используемой авторами формуле для расчёта акустической анизотропии, кроме скорости распространения сдвиговых волн, учитывается и скорость распространения продольной волны.

Результаты исследования напряжённо-деформированного состояния трубопроводных конструкций ультразвуковым методом представлены в докладе [17], авторы которого с помощью УЗ сканера ПИНТ выполнили измерения акустической анизотропии металла эксплуатируемых трубопроводов. Приведены результаты измерения осевых и кольцевых напряжений в регулярном сечении и на отводах гидростендов ВНИИСТ, ВНИИГАЗ и КС "Лысково". Подтверждена возможность определения неизвестной внешней осевой нагрузки и неизвестного давления при их совместном действии с приемлемой для практики точностью без изменения режима работы трубопровода. Отмечено, что наличие дополнительных функций сканера, таких как определение остаточной линейной деформации, пористости материала и др. подтверждает перспективность УЗ метода контроля напряжённо-деформированного состояния и физико-механических характеристик металла с целью мониторинга трубопроводных конструкций и позволяет использовать их для определения прочностных характеристик, измерения скорости роста опасных микротрещин и достоверного определения остаточного ресурса трубопровода.

В [18] указывается на важность контроля напряжённо-деформированного состояния трубопроводов методами неразрушающего контроля и, в частности, применения портативных быстродействующих средств акустического измерения скорости УЗ волн с программным управлением.

Учитывая актуальность проблемы контроля анизотропии проката и оценки её влияния на качество проката и на результаты акустических измерений, а также отсутствие до настоящего времени эффективных методов и надёжной аппаратуры, обеспечивающих современные требования к погрешности акустических измерений, в Научно-исследовательском институте интроскопии МНПО "СПЕКТР" были проведены представленные в настоящей работе исследования.

Способы и устройства ЭМА возбуждения и приёма упругих волн

Технологические сложности при измерении анизотропии в лабораторных условиях и невозможность возбуждения сдвиговых горизонтально-поляризованных (SH) волн с помощью пьезоэлектрических преобразователей через слой жидкости, что исключает использование ультразвуковых методов контроля анизотропии в производственных условиях, потребовали проведения исследований ЭМА методов возбуждения и приема УЗ колебаний.

ЭМА методы возбуждения и приема ультразвуковых волн, распространяющихся по нормали к поверхности контролируемого изделия, основаны на воздействии на его поверхность переменного и постоянного магнитных полей. Отсутствие непосредственного контакта ЭМАП с металлом существенно снижает требования к подготовке поверхности под контроль и обеспечивает требуемую надежность и стабильность возбуждения и приема УЗ колебаний.

Катушка (индуктор) ЭМАП, через которую протекает импульс высокочастотного тока, через воздушный зазор создаёт в поверхностном слое металла вихревой ток. В результате совместного действия вихревого тока и подмагничивающего поля возникают силы Лоренца, обеспечивающие возбуждение в металле УЗ колебаний соответствующего типа. Объёмная плотность сил Лоренца

формула (5)

где - индукция подмагничивающего поля в исследуемом металле, - относительная магнитная проницаемость металла, - магнитная постоянная, или магнитная проницаемость вакуума, - напряжённость магнитного поля, - вихревой ток. В зависимости от конструктивных параметров индуктора и ориентации подмагничивающего поля возбуждаются продольные или SH - волны радиальной или линейной поляризации, определяемой прежде всего формой индуктора.

При проведении исследований в [3-6] для возбуждения SH - волн использовались установки с мощными электромагнитами весом в несколько десятков килограммов, что усложняло их применение в цеховых условиях. Кроме того, технология возбуждения и приёма ультразвуковых колебаний предусматривала двухсторонний доступ к контролируемому образцу. В настоящей работе была поставлена задача создания современного портативнного прибора с автономным питанием, обеспечивающего измерения при одностороннем доступе к контролируемому изделию. В связи с этим магнитная система ЭМАП была выполнена на основе постоянных магнитов из редкоземельных металлов, что сделало возможным создание энергонезависимых малогабаритных ЭМА преобразователей (рис. 2).

Как видно из рис. 2a, ЭМАП для возбуждения продольной волны содержит магнитную систему с постоянными магнитами кольцевого типа, установленными на сердечнике из армко-железа, и индуктор в виде катушки спиральной формы, размещённый между полюсами магнитной системы, одним из которых является торцевая поверхность кольцевого магнита, а другим - основание сердечника. При взаимодействии наведённого вихревого тока и касательного магнитного поля в поверхностном слое материала возникают силы Лоренца, направленные нормально к поверхности материала во всей области линий вихревого тока. В результате в слое возникает продольная волна, направление распространения которой и смещения частиц также нормальны к поверхности материала.

Приём ультразвуковых колебаний, прошедших через исследуемый образец и отразившихся от противоположной его поверхности, происходит благодаря обратному ЭМА преобразованию, т.е. преобразованию акустических колебаний металла, находящегося в постоянном магнитном поле, в электрические сигналы. ЭМАП такого типа эффективен при возбуждении УЗ колебаний в неферромагнитных материалах.

Для возбуждения SH-волн с радиальной поляризацией используется ЭМА преобразователь, схематически изображённый на рис. 2б. Его элементы аналогичны ЭМАП для возбуждения продольной волны, за исключением магнитной системы, обеспечивающей магнитный поток по нормали к поверхности твёрдого слоя. В результате взаимодействия наведённого вихревого тока и магнитного поля в поверхностном слое материала возникают силы Лоренца, направленные радиально по отношению к линиям вихревого тока. При этом возникает SH-волна с радиальной поляризацией, направленная по нормали к поверхности слоя. ЭМАП такого типа эффективен при возбуждении УЗ колебаний, как в ферромагнитных, так и в неферромагнитных материалах.

Возбуждение SH-волн с линейной поляризацией осуществляется ЭМА преобразователем, схематически изображённым на рис. 2в. Описываемый ЭМАП имеет индуктор удлинённой формы и магнитную систему, состоящую из двух магнитов, обеспечивающих магнитные потоки противоположного направления через области поверхности твёрдого слоя с наведёнными вихревыми токами тоже противоположного направления. Силы Лоренца при этом синфазны в обеих областях поверхности. Они ориентированы нормально по отношению к линиям вихревого тока и параллельно поверхности слоя. Под действием сил Лоренца в поверхностном слое возникает SH-волна, распространяющаяся по нормали к поверхности слоя. Смещения частиц в волне параллельны поверхности твёрдого слоя и перпендикулярны виткам индуктора в линейных его частях. При таких условиях SH-волна возбуждается синфазно во всей области действия сил Лоренца. Благодаря единственному направлению вектора смещений в колебаниях, генерируемых в материале данным преобразователем и принимаемых им, возникает возможность экспериментально исследовать зависимость скорости распространения сдвиговых УЗ волн от ориентации вектора смещений по отношению к НП материала.

Результаты измерений и их обсуждение

Для проведения исследований акустической анизотропии материалов проката были разработаны и изготовлены ЭМА преобразователи с радиальной и линейной поляризацией. В них применены постоянные магниты из неодим-железа-бора, обеспечившие достаточно высокий коэффициент преобразования сигналов и малые габариты и массу преобразователей.

Исследования проведены с использованием стенда из стандартной лабораторной аппаратуры, оригинальных блоков генератора импульсов возбуждения ЭМА преобразователей и усилителя сигналов, ЭМА преобразователей различного типа, цифрового осциллографа и ПК со стандартным и оригинальным программным обеспечением. В образцах проката с различной степенью анизотропии выполнены измерения времени распространения импульсов продольных и сдвиговых ультразвуковых волн в направлении толщины материала. Были исследованы образцы проката в диапазоне толщин от 0,3 мм до 50 мм из сплавов алюминия, латуни, титана, углеродистой и нержавеющей стали. Предварительно в зоне акустических измерений толщину образцов измеряли с точностью до 1 мкм. Измерения проводили при комнатной температуре с использованием высокоточных устройств механического измерения толщины. Для повышения точности и помехоустойчивости измерений временных интервалов была использована корреляционная обработка принятых сигналов [19].

Типичные реализации многократных эхо-сигналов и их автокорреляционные функции для соответствующих материалов представлены на рис. 3 - 5. Реализации эхо-сигналов SH-волн с радиальной поляризацией в изотропных пластинах (рис. 3а) и SH-волн с линейной поляризацией при ориентации вектора смещений вдоль или поперёк НП в анизотропных пластинах (рис. 4в, 5в) характеризуются монотонным уменьшением амплитуды эхо-сигналов со временем при незначительном изменении формы сигнала от импульса к импульсу. Период повторения этих эхо-сигналов, очевидно, определяется толщиной материала и скоростью распространения соответствующей УЗ волны. Аналогичен вид и реализаций многократных эхо-сигналов продольных волн, на распространение которых анизотропия проката не влияет.

Реализации многократных эхо-сигналов SH-волн c радиальной поляризацией в анизотропных пластинах и SH-волн с линейной поляризацией со смещениями под углом 45? по отношению к НП (рис. 4а) характерны тем, что в зависимости от степени анизотропии материала уже для второго-третьего эхо-сигнала чётко наблюдается "раздвоение" импульсов.

Это "раздвоение" можно объяснить тем, что первоначально возбуждённые в материале сдвиговые волны с разными направлениями вектора смещений (преобразователь с радиальной поляризацией) или с 45-градусным отклонением от НП (преобразователь с линейной поляризацией) постепенно в процессе своего распространения трансформируются в две компоненты с колебательными смещениями вдоль и поперёк НП. Скорости распространения этих компонент различны, что и приводит к раздвоению эхо-импульсов и разложению их на два сигнала при достаточно большом пути распространения эхо-сигналов в материале. С увеличением степени анизотропии материала возрастает взаимное временнoе смещение импульсов от обеих компонент SH-волн при неизменном пути их распространения в материале (при постоянной его толщине). При достаточно большом пути распространения сигнала (например, после многих десятков отражений УЗ импульса в слое) относительное временнoе смещение импульсов волн с различной поляризацией достигает величины интервала двукратного прохождения каждой из волн по толщине слоя и даже превышает её. В результате при большом интервале наблюдения сигналов это проявляется в виде биений, см. рис. 5а.

Автокорреляционные функции (АКФ) принятых реализаций эхо-сигналов, представлены на рис. 3б, 4б, 4г. Как видно из рис. 3б и 4г АКФ реализаций сигналов волн с радиальной поляризацией в образцах изотропного проката и сигналов волн с линейной поляризацией в образцах проката с анизотропией имеют чётко выраженную структуру повторяющихся максимумов, в окрестностях которых характер изменения АКФ одинаков.

Поведение АКФ сигналов волн с радиальной поляризацией или волн с линейной поляризацией со смещениями под углом 45? к направлению прокатки в анизотропных образцах проката (рис. 4б) отличается тем, что в окрестностях локальных максимумов форма АКФ существенно различна. Как видно из рис. 5б, характер биений сигналов повторяется в форме АКФ. Особенно наглядно это проявляется при большом времени наблюдения.

Интервал времени между началом координат и первым максимумом АКФ, равный удвоенному времени распространения УЗ импульса в слое материала, использовался нами при расчёте скорости распространения УЗ волн, анизотропии и коэффициента Пуассона исследованных образцов проката (см. таблицу).

Сравнение полученных значений с результатами [5, 6] показывает, что импульсный режим ЭМА возбуждения и приёма УЗ колебаний с применением корреляционной обработки также обеспечивает высокую точность измерения скорости распространения УЗ колебаний и толщины проката. 

(таблица 1)

Важно отметить, что при использовании ЭМАП с радиальной поляризацией измеряемые интервалы времени распространения импульсов волн с поляризацией вдоль и поперёк НП соответственно равны интервалам, измеренным с использованием ЭМАП с линейной поляризацией при ориентации его вдоль и поперёк НП. Это подтверждает предположение о распространении в прокате только двух сдвиговых волн со смещениями вдоль и поперёк НП со своими несколько отличающимися значениями скорости, хотя и противоречит работе [6], где приведено некоторое промежуточное значение скорости, измеренное ЭМАП с линейной поляризацией при его расположении под углом 45? к НП. Полученные результаты (см. таблицу) не подтверждают и вывод авторов [6] о том, что скорость составляющей SH-волны со смещениями вдоль НП меньше, чем скорость SH-волны со смещениями поперёк НП.

Измерение временных интервалов с помощью корреляционной обработки сигналов при использовании ЭМАП с радиальной поляризацией даёт некоторое промежуточное (как бы усреднённое) значение скорости сдвиговых волн в прокате, поскольку на формирование АКФ влияют импульсы обеих составляющих SH - волны. Этот результат имеет важное практическое значение: при проведении массового производственного контроля толщины однотипных изделий проката целесообразнее использовать ЭМАП с радиальной поляризацией, не требующий определённой ориентации относительно НП. Измерение же абсолютного значения скорости в этом случае не играет существенной роли.

Напротив, при необходимости измерения абсолютного значения скоростей распространения составляющих SH-волны для определения анизотропии целесообразно применение ЭМАП с линейной поляризацией. Измеряемый в этом случае интервал времени соответствует составляющей SH - волны, смещения в которой направлены вдоль или поперёк НП в зависимости от положения ЭМАП. Помимо измерения упомянутых параметров проката с использованием ЭМАП с линейной поляризацией при наличии дисплея с развёрткой типа А возможно определение НП в контролируемом изделии. Для упрощения алгоритма расчёта анизотропии металла в производственных условиях, когда нет необходимости измерения скорости распространения УЗ колебаний и толщины проката, возможно определение анизотропии по времени распространения соответствующих составляющих SH - волны. Формула для расчёта анизотропии в этом случае в отличие от (2) учитывает только соотношение времени распространения SH - волн:

формула (6)

Здесь, как и в (1), , - время распространения импульсов ультразвуковых волн по толщине листа (соответственно, SH - волны со смещениями вдоль НП и SH - волны со смещениями поперёк НП). Соотношение скоростей этих сдвиговых волн характеризует техпроцесс прокатки и позволяет судить о возможности получения изотропного листового проката [8].

Результаты исследований использованы при разработке портативного ЭМА толщиномера А1270 с корреляционной обработкой сигналов [20, 21]. Благодаря включению в комплект толщиномера ЭМА преобразователей для возбуждения и приёма SH - волн с радиальной и линейной поляризацией существенно расширились возможности его использования при контроле толщины, скорости распространения и акустической анизотропии проката. Наличие встроенного процессора и графического дисплея позволяет определять НП, оценивать физико-механические свойства проката и степень его анизотропии. При этом процедура измерений и алгоритм обработки информативных сигналов предусматривают выполнение прибором вычислений и представление на дисплее полученных значений времени и скоростей распространения сдвиговых и продольных волн, значения анизотропии и коэффициента Пуассона.

В случае использования толщиномера А1270 с ЭМА преобразователем с линейной поляризацией алгоритм определения анизотропии ещё более упрощается, так как информация о степени анизотропии проката содержится в значениях толщины, получаемых при изменении положения ЭМА преобразователи относительно НП от 0 до 90?, а расчёт производят по формуле:

формула (7)

Здесь , - измеренные значения толщины листа или трубы при ориентации ЭМА преобразователя вдоль и поперёк НП (при измерении толщины значения скорости распространения УЗК не корректируются).

Для определения коэффициента Пуассона необходимо измерение скорости продольной волны, для чего толщиномер может быть укомплектован ЭМАП для возбуждения и приёма продольной волны. Возможно измерение скорости продольной волны и с использованием пьезоэлектрических преобразователей. Дополнительную информацию о состоянии обследуемого объекта даёт наблюдение на дисплее многократных сигналов и АКФ.

Создание портативного ЭМА прибора для акустических измерений с односторонним доступом делает возможным измерение анизотропии и оценки напряжённо-деформированного состояния узлов и деталей ответственных конструкций в цеховых и полевых условиях.

Авторы считают необходимым отметить, что они не претендуют на освещение всех аспектов проблемы определения упругих свойств проката, связанных с анизотропией упругости, и на установление адекватности измеряемых акустических параметров упругим характеристикам проката. Этим вопросам посвящён целый ряд работ специалистов в области физики прочности и упругости, в частности, работа [22] и др.

Заключение

1. Анализ работ предшественников и выполненные исследования акустической анизотропии проката показали её связь с такими физическими и механическими характеристиками как коэффициент Пуассона, твёрдость, штампуемость, величина усталостного нагружения, что позволяет сделать вывод о целесообразности использования результатов измерения анизотропии для управления технологическим процессом производства качественного листового проката, оценки напряжённо-деформированного состояния и остаточного ресурса материала ответственных сооружений и конструкций.
2. Выполненные исследования обеспечили создание высокоэффективных малогабаритных энергонезависимых ЭМА преобразователей для возбуждения и приёма сдвиговых волн с горизонтальной поляризацией и существенное повышение точности акустических измерений параметров проката.
3. Разработанные метод и аппаратура позволили исследовать реальные образцы проката (листов, лент и труб) из сплавов алюминия, латуни, титана, углеродистой и нержавеющей стали в широком диапазоне толщин и с различной степенью анизотропии при одностороннем доступе.
4. Полученные результаты дают возможность рекомендовать при массовых измерениях толщины использование ЭМАП с радиальной поляризацией, а для измерения акустической анизотропии - ЭМАП с линейной поляризацией.
5. Результаты исследований положены в основу разработки концепции повышения точности акустических измерений и создания портативной аппаратуры с корреляционной обработкой сигналов, обеспечивающей контроль проката в жёстких условиях производства и эксплуатации.

Литература

1. Амбарцумян С.А., Теория анизотропных пластин (прочность, устойчивость и колебания), Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", М., 1967, С. 268.
2. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов. Справочник. Ленинградское отделение изд-ва "Машиностроение", Л., 1980, С. 247.
3. Никифоренко Ж.Г., Глухов Н.А., Авербух И.И. Измерение скорости упругих волн и акустической анизотропии в пластинах. // Дефектоскопия, 1971, N4, с. 74-82.
4. Никифоренко Ж.Г., Авербух И.И. Контроль акустической анизотропии листовой стали импульсным резонансным методом. // Заводская лаборатория, 1971, N 12, с. 1463-1465.
5. Никифоренко Ж.Г., Бобров В.Т., Веремеенко С.В. Ультразвуковой контроль анизотропии механических свойств холоднокатаной листовой стали. // Заводская лаборатория, 1977, N 2, с. 209-212.
6. Авербух И.И., Буденков Г.А., Глухов Н.А. Определение анизотропии проката при помощи электромагнитных акустических датчиков сдвиговых колебаний. Труды ВНИИНК, т.1. Изд-во "Картя Молдовеняскэ". Кишинёв, 1969. С. 134-142.
7. Bobrov V.T., Nikiforenko Sh.G. Ultraschall kontroliert und stoert den technologischen Prozess bei der Herstellung von Blechen. // Internationales Messesymposium Rechnergestutzte Ultraschall-Materialprufung", Vortr. Nr. 29, Sept., 1988, Leipzig, DDR.
8. Никифоренко Ж.Г., Бобров В.Т. Способ ультразвукового контроля качества листового проката: А.с. СССР N 795173. // Б.И. 1982. N 47.
9. Бобренко В.М., Куценко А.Н., Шереметиков А.С. Акустическая тензометрия. II. Методы и устройства. // Дефектоскопия, 1980, N12, с. 59-75.
10. Никифоренко Ж.Г., Бобров В.Т., Авербух И.И. Распространение волн Лэмба в анизотропных листах. //Дефектоскопия, 1972, N5, с. 56-63.
11. Dixson S., Edwards C., Palmer S.B. Recent developments in the characterisation of aluminium sheets using electromagnetic acoustic transducers (EMATs). // Insigth, 2002, V. 44, No. 5, pp. 274-278.
12. Заборовский О.Р., Бобров В.Т., Коряченко В.Д. и Бобренко В.М. Ультразвуковой способ измерения анизотропии: А.с. СССР N 493729. // Б.И. 1975. N 44.
13. Буденков Г.А., Никифоренко Ж.Г. Использование поляризованного ультразвука для определения упругой анизотропии материалов. // Дефектоскопия, 1967, N3, с.59-63.
14. Smith R.T. Ultrasonics, 1963, July. - Aug.-Sept., 135.
15. Мишакин В.В., Кажаев В.В., Наумов М.Ю. Совместное использование метода ударного внедрения индентора и метода акустической анизотропии для оценки усталостной повреждённости металла. // Дефектоскопия, 2002, N9, с. 39-45.
16. Mishakin V.V. a. Serebryany V.N. Application of the acoustoelastic effect in the precise evaluation of the plastic strain value. - Acoustics Letters, 1994, V. 17, N 7, P. 123-128.
17. Киселёв В.К., Самохвалов Р.В., Городниченко В.И. Результаты исследования напряжённо-деформированного состояния трубопроводных конструкций ультразвуковым сканером ПИНТ. 3-я Международная конференция "ДИАГНОСТИКА ТРУБОПРОВОДОВ". Москва, 21-26 мая 2001 г. Тезисы докладов, стр. 176.
18. Стеклов О.И. Оценка напряжённо-деформированного состояния трубопроводов неразрушающими методами контроля. 3-я Международная конференция "ДИАГНОСТИКА ТРУБОПРОВОДОВ". Москва, 21-26 мая 2001 г. Тезисы докладов, стр. 69.
19. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Применение корреляционных методов обработки сигналов в эхо-импульсных толщиномерах. Сварка на рубеже веков: Тезисы докладов научно-технической конференции. 20 - 21 января 2003. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2002. С. 106.
20. Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Алёхин С.Г., Жуков А.В. ЭМА толщиномер для авиакосмической промышленности. - XVI Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", Санкт-Петербург,2002. Труды конференции, доклад 4.5.38, С.48.
21. Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Алёхин С.Г., Жуков А.В. Применение ЭМА толщиномера А1270 для контроля проката из алюминиевых сплавов.// В мире неразрушающего контроля, 2002, N4, C. 24-27.
22. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980, С. 320.