Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах

На основании анализа физических моделей распространения упругой волны на различных стадиях производства порошковых материалов предложено использовать для оценки дефектности контактов в этих материалах методы измерений относительных изменений коэффициента затухания и скорости распространения упругих...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Безымянный, Ю.Г., Талько, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2006
Schriftenreihe:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Schlagworte:	Неразрушающий контроль
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97892
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах / Ю.Г. Безымянный , О.В. Талько // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2006. — № 2. — С. 39-45. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-97892
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-978922016-04-05T03:02:45Z Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах Безымянный, Ю.Г. Талько, О.В. Неразрушающий контроль На основании анализа физических моделей распространения упругой волны на различных стадиях производства порошковых материалов предложено использовать для оценки дефектности контактов в этих материалах методы измерений относительных изменений коэффициента затухания и скорости распространения упругих волн в зависимости от растяжения-сжатия материала. Экспериментально на примере полидисперсного порошкового железа и модельного эксперимента показана перспективность использования этих методов для решения задач контроля дефектности контактов между исходными частицами порошка при их спекании и спеченного материала. Based on the analysis of the physical models of elastic wave propagation at different stages of producing powder materials, it has been suggested to apply the methods for measuring relative changes in an attenuation coefficient and elastic wave velocity depending on the tension–compression of a material in order to evaluate defects of contacts in the above materials. The outlook of applying these methods for solving problems on the control over quality of contacts between the initial particles in a powder in their sintering and sintered materials has been demonstrated experimentally by the examples of polydispersed powder iron and a model experiment. 2006 Article Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах / Ю.Г. Безымянный , О.В. Талько // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2006. — № 2. — С. 39-45. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97892 539.2:620.7 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль
spellingShingle	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль Безымянный, Ю.Г. Талько, О.В. Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	На основании анализа физических моделей распространения упругой волны на различных стадиях производства порошковых материалов предложено использовать для оценки дефектности контактов в этих материалах методы измерений относительных изменений коэффициента затухания и скорости распространения упругих волн в зависимости от растяжения-сжатия материала. Экспериментально на примере полидисперсного порошкового железа и модельного эксперимента показана перспективность использования этих методов для решения задач контроля дефектности контактов между исходными частицами порошка при их спекании и спеченного материала.
format	Article
author	Безымянный, Ю.Г. Талько, О.В.
author_facet	Безымянный, Ю.Г. Талько, О.В.
author_sort	Безымянный, Ю.Г.
title	Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах
title_short	Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах
title_full	Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах
title_fullStr	Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах
title_full_unstemmed	Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах
title_sort	анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Неразрушающий контроль
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97892
citation_txt	Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах / Ю.Г. Безымянный , О.В. Талько // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2006. — № 2. — С. 39-45. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT bezymânnyjûg analizvozmožnostejakustičeskihmetodovpovyâvleniûdefektnostikontaktovvporoškovyhmaterialah AT talʹkoov analizvozmožnostejakustičeskihmetodovpovyâvleniûdefektnostikontaktovvporoškovyhmaterialah
first_indexed	2025-07-07T05:41:08Z
last_indexed	2025-07-07T05:41:08Z
_version_	1836965554445877248
fulltext	УДК 539.2:620.7 АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ДЕФЕКТНОСТИ КОНТАКТОВ В ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ Ю. Г. БЕЗЫМЯННЫЙ, О. В. ТАЛЬКО На основании анализа физических моделей распространения упругой волны на различных стадиях производства порошковых материалов предложено использовать для оценки дефектности контактов в этих материалах методы измерений относительных изменений коэффициента затухания и скорости распространения упругих волн в зави- симости от растяжения–сжатия материала. Экспериментально на примере полидисперсного порошкового железа и модельного эксперимента показана перспективность использования этих методов для решения задач контроля дефектности контактов между исходными частицами порошка при их спекании и спеченного материала. Based on the analysis of the physical models of elastic wave propagation at different stages of producing powder materials, it has been suggested to apply the methods for measuring relative changes in an attenuation coefficient and elastic wave velocity depending on the tension–compression of a material in order to evaluate defects of contacts in the above materials. The outlook of applying these methods for solving problems on the control over quality of contacts between the initial particles in a powder in their sintering and sintered materials has been demonstrated experimentally by the examples of polydispersed powder iron and a model experiment. Введение. Порошковая металлургия – одно из перспективных направлений создания современных материалов с наперед заданными свойствами. В связи со сложностью строения порошковых ма- териалов для них характерны большие по сравнению с традиционными материалами разброс свойств и уровень дефектности [1], что предполагает необ- ходимость сплошного контроля качества изделий из них. Формирование структуры и свойств порош- ковых материалов связано с процессами уплот- нения и консолидации исходных компонентов [2], поэтому степень совершенства связей между этими элементами во многом определяет свойства мате- риала. Одной из важных проблем порошковой ме- таллургии, актуальной и сегодня, является раз- работка эффективных неразрушающих методов численной оценки качества контактов в порош- ковых материалах [3]. В настоящее время для численной оценки ка- чества контактов в порошковых материалах ис- пользуют методы, основанные на измерении элек- тропроводимости порошкового тела [2] и скорости распространения упругой волны [3]. Все они свя- заны с одновременным использованием экспери- ментальных и рассчитанных в соответствие с той или иной моделью численных характеристик ма- териала. Строгий учет параметров структуры при их модельном представлении возможен далеко не всегда [4], поэтому предложенные количественные оценки дают удовлетворительные результаты толь- ко в случаях сравнительно простой структуры и состава пористого тела. Известны [5, 6] чувстви- тельность к процессам структурообразования в по- рошковых материалах коэффициента затухания и декремента колебаний [7], однако их использо- вание находится на уровне качественного отра- жения процессов структурообразования. Поэтому проблему использования акустических методов для выявления дефектности контактообразования порошковых материалов нельзя считать решенной. Настоящая работа посвящена анализу воз- можностей использования акустических неразру- шающих методов, основанных на прозвучивании материала бегущей упругой волной, для оценки дефектности контактообразования порошковых материалов. Анализ будем проводить по разработанной на- ми методике [8], которая в данном случае вклю- чает исследование объекта контроля, моделирова- ние задачи для выявления существенных факто- ров, определяющих ее возможные решения, экс- периментальное подтверждение связи контактных явлений в материале с параметрами акустического поля, формулировку основных принципов пред- лагаемых методов контроля и рекомендации для развития работ в рассматриваемом направлении. Анализ объекта контроля. Структурные мо- дели. Рассмотрим особенности консолидации по- рошковых материалов, связанные с контактооб- разованием и построим структурные модели раз- личных стадий технологического процесса, кото- рые позволяют отобразить основные закономер- ности формирования акустических полей в таких материалах. Особое внимание будем уделять де- фектности контактов. Поскольку свойства порош- кового тела формируются преимущественно струк- турой мезоуровня, то структурные модели мате- риала целесообразно синтезировать именно на этом уровне. Для понимания основных закономерностей формирования акустического поля модели будем строить в предельно упрощенном виде, абстраги- руясь от не существенных в каждом случае де- талей, но с учетом всех элементов, формирующих свойства материала. Для этого, учитывая, что уп- © Ю. Г. Безымянный, О. В. Талько, 2006 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2006 39 ругая волна интегрально отражает свойства ма- териала, по возможности будем отображать его элементы структуры эквивалентными однородны- ми средами, которые имеют те же эффективные свойства, что и репрезентативный объем этих эле- ментов структуры. Контакты между элементами порошкового ма- териала формируются постепенно в течение тех- нологического процесса его создания [1]. Так, на стадии свободно насыпанного порошка [2] еще не существует консолидированного твердого тела. Каждая частица представляет собой отдельное уп- ругое твердое тело, которое соприкасается с оп- ределенным количеством соседних частиц. Коли- чество контактов (координационное число), т. е. количество соприкосновений частицы с соседними, определяется плотностью упаковки. Установивши- еся контакты в такой среде отсутствуют, и, сле- довательно, отсутствуют дефекты в контактах. По- этому такую среду с точки зрения дефектности контактообразования мы рассматривать не будем. На стадии прессования [1] между элементами формируются механические связи – несовершен- ные в смысле упругости контакты. Эта система остается неравновесной. Появление и развитие ме- ханической связи приводит к постепенному умень- шению вязкости системы и появлению слабо вы- раженной упругости формы. Пористость матери- ала остается на сравнительно высоком уровне и влияет на свойства всей системы. Упрощенную структурную модель материала на этой стадии удобно описать как трехфазную систему (рис. 1, а). Первая фаза представляет собой вязкую од- нородную матрицу, внутри которой равномерно расположены упругие сферические частицы исход- ного порошка одинаковых размеров и сферические поры тоже одинаковых размеров. Дефектность контактов в такой модели будет отражаться вязкой фазой. В предельном идеализированном случае при полном отсутствии контактного взаимодейс- твия между частицами вязкая фаза вырождается в воздушную среду, т. е. сливается с порами. В процессе спекания механические (несовер- шенные) связи между частицами постепенно пе- реходят в химические (совершенные) и система становится равновесной [3]. Качество консоли- дации спеченных порошковых материалов на этой стадии определяется относительными размерами химических и механических контактов и наличием свободных поверхностей частиц. Такая переходная структура наиболее сложная при моделировании. Упрощенная структурная модель такой системы представляет собой смешанную матричнокаркас- ную конструкцию (рис. 1, б) и отличается от предыдущей наличием упругих связей между час- тицами. Эти связи на ранних стадиях спекания можно представить тонкими стержнями, а на поз- дних – перешейками, соизмеримыми по толщине с размерами частиц. Дефектность контактов в та- кой модели будет определяться вязкой фазой и относительными размерами упругих перемычек. Структуру спеченного порошкового материала на мезоуровне можно представить [3] как некий объем, заполненный частицами исходного порош- ка, соединенными между собою надежными хи- мическими связями и порами. Все контакты ха- рактеризуются как геометрически несовершенные, так как охватывают не всю поверхность сопри- касающихся частиц, что приводит к сильному ис- кажению физических полей в зоне контактов и, следовательно, нелинейным эффектам. Возможно существование дефектных контактов, в которых механическая связь не трансформировалась в хи- мическую. Поры можно разбить на две группы: изомерные, определяющие физико-механические свойства материала, и двумерные (линзообраз- ные), снижающие эти свойства. В этом смысле двумерные поры можно рассматривать как дефек- ты структуры. Эти дефекты есть и на стадии спе- кания, однако, там их роль в дефектности мате- риала существенно меньше. Качество консоли- дации спеченных порошковых материалов, в ко- торых установились химические связи между час- тицами, определяется относительными размерами химических контактов по сравнению со свобод- ными поверхностями частиц (геометрическим со- вершенством) и наличием дефектных контактов. Упрощенную структурную модель такого ма- териала (рис. 1, в) можно представить как мат- ричную основу, внутри которой равномерно рас- пределены поры и дефекты различного характера. Матрица представляет собой квазиоднородную твердую среду из спеченных между собой частиц исходного порошка, в каждом элементарном объеме которого свойства материала статистически одинаковы и соответствуют свойствам исходных частиц. Объемные поры представлены идеализи- рованными сферическими частицами, а плоские поры – дисками, имеющими произвольную ори- ентацию (в модели произвольность ориентации от- ражена тремя характерными направлениями дис- ков). Объемные поры определяют плотность ма- териала, а плоские – его дефектность. В общем случае спеченный материал обладает анизотропией свойств за счет преимущественной ориентации плоских дефектов [1]. В предельном случае при максимальной анизотропии материала для модели (рис. 1, в) можно считать, что все плоские де- фекты ориентированы перпендикулярно направ- лению прессования. Акустическая модель. Рассмотрим тенденции формирования монохроматического поля плоской бегущей упругой волны в предложенных струк- турных моделях. Для этого примем следующие общие допущения. Во-первых, чтобы абстрагиро- ваться от граничных условий изделия, среду рас- сматриваем как безграничную. Во-вторых, счита- ем справедливым предположение для пористой Рис. 1. Структурные модели прессовки (а), материала в процессе спекания (б), спеченного порошкового материала с дефектными контактами (в) 40 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2006 среды, что волновое сопротивление газообразной фазы намного меньше, чем твердой. В этом случае коэффициент прозрачности границы раздела этих фаз равен нулю и упругая волна не проникает из твердой фазы в жидкую. Однако, при сущес- твенно малой волновой толщине газообразного слоя коэффициент прохождения через него отли- чен от нуля и может быть определен известными методами [9]. В-третьих, предположим, что в материале исходных частиц коэффициент затуха- ния упругой волны α незначительно изменяется по ее длине λ: λα << 1. Это позволяет рассмат- ривать фазу, сформированную частицами исход- ного порошка, как квазилинейную относительно потерь для бесконечно малых амплитуд упругой волны. В-четвертых, будем считать, что наличие неоднородностей в материале не изменяет направ- ление переноса основной части энергии упругой волны. Это позволяет рассматривать задачу как пространственно одномерную. И, в-пятых, рас- смотрим случай малых волновых размеров эле- ментов структуры материала, т. е. будем считать, что для длины упругой волны и наибольших раз- меров элементов структуры A справедливо соот- ношение λ >> A. Тогда материал, с одной сторо- ны, можно считать статистически однородным и распространение упругой волны в материале мож- но описывать с позиции механики сплошных сред, а скорость распространения и коэффициент зату- хания упругой волны, являясь интегральной ха- рактеристикой материала по своей сути, будут от- ражать его эффективные свойства. С другой сто- роны, параметры упругой волны в этом диапазоне длин волн обладают чувствительностью к экви- валентным параметрам структуры пористого ма- териала [10]. Акустическое поле в рассматриваемых моделях сред будет формироваться параметрами зондиру- ющего сигнала и свойствами элементов прозвучи- ваемой среды. Параметрами зондирующего сигна- ла мы можем управлять таким образом, чтобы удовлетворить принятым допущениям. Поскольку структура порошкового материала и свойства его элементов на каждой стадии технологического про- цесса существенно отличаются, то будут отличать- ся и закономерности формирования акустического поля. Рассмотрим эти закономерности для каждого случая в связи с возможностью контроля качества контактообразования. В прессовках (рис. 1, а) наличие трех фаз, существенно отличающихся по своим акустическим свойствам, приводит к значительному искажению распределения смещений на длине упругой волны. Поэтому в акустическом поле будут возникать не- линейные эффекты тем более существенные, чем больше длина волны будет соответствовать раз- мерам структурных элементов. Акустические ха- рактеристики такой системы будут определяться вязкой малоупругой фазой, характеризующей ка- чество механических контактов и пористостью. По- этому в прессовках коэффициент затухания и ско- рость распространения упругой волны можно ис- пользовать для контроля качества механических контактов и пористости. Причем, акустические ха- рактеристики материала будут одновременно ре- агировать и на изменение пористости и качества контактов. Процесс уплотнения порошков при прессо- вании имеет достаточно сложный характер [2]. Он состоит не только в компактировании мате- риала, но и сопровождается консолидацией мате- риала. Известно [1], что пористость служит мерой компактности материала. Мерой консолидации служит качество контактов. Выделить влияние на измеренные параметры каждого из механизмов представляется достаточно сложной задачей. Ана- лиз модели (рис. 1, а) позволяет считать, что качество контактов при прессовании играет, по крайней мере, не меньшую роль в этом процессе. Очевидно, что соотношение между вкладами этих механизмов может существенно меняться в зави- симости от свойств порошка, усилия и условий прессования. Поэтому, не выделяя каждый из ме- ханизмов, проанализируем общие закономерности изменения рассматриваемых параметров. Появление и развитие упругой связи между частицами в процессе спекания материала (рис. 1, б) существенно меняет картину формирования акустического поля. В этой системе неоднород- ность, а следовательно, и отклонение от упругости материала исходных частиц, и нелинейность акус- тического поля будут определяться размерами пе- ремычек, т. е относительными размерами совер- шенных контактов и пористостью. Третья фаза здесь играет несущественную роль. Поэтому коэф- фициент затухания и скорость распространения упругой волны можно использовать для контроля относительных размеров совершенных контактов и пористости. В такой системе приближение длины волны к размерам структурных элементов может привести к резонансным явлениям в каркасе ма- териала. Как и в предыдущей модели, акустичес- кие характеристики материала будут одновременно реагировать и на изменение пористости и качества контактов. Самым ответственным этапом, с точки зрения контроля дефектности, является последняя стадия спеченного материала (рис. 1, в). На этой стадии эффективные скорость распространения и коэф- фициент затухания упругой волны будут зависеть от свойств матрицы, порового пространства и ка- чества контактов [9]. При этом эффективное зна- чение скорости распространения для любой уп- ругой волны (Ve) как функцию свойств материала и его компонентов удобно искать в мультипли- кативной, а коэффициента затухания (αэ) – ад- дитивной форме. Для рассматриваемой модели мо- жем записать Ve = VоKпKд, (1) где Vо – скорость распространения упругой волны в материале матрицы (беспористом); Kп, Kд – коэффициенты, учитывающие пористость и качес- тво контактов между отдельными элементами ме- зоструктуры. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2006 41 Формула (1) хорошо согласуется с известной [1] формулой для оценки качества контактов спе- ченного пористого материала: Ve = Vо(1 — θ)m(1 — θд) k, (2) где θ – изомерная пористость материала; m, k – эмпирические коэффициенты, зависящие от осо- бенностей материала; θд – кажущееся увеличение пористости из-за дефектности межчастичных кон- тактов. Автор [11] критически относится к формуле (2). Следует с ним согласится по следующим при- чинам. Эта формула получена по аналогии с ме- тодом проводимости. В соответствие с классифи- кацией физических свойств материалов, его элек- трические свойства описываются тензором второго порядка, тогда как скорость распространения уп- ругих волн определяется характеристиками упру- гости, которые описываются тензорами четвертого порядка, и скалярным полем массовой плотности. Как известно [4], при определении эффективных свойств композита по свойствам его компонентов нескалярные свойства не подчиняются аддитив- ному закону. Очевидно, следует пойти дальше и предположить, что свойства, описываемые тензо- рами более высокого ранга, в том числе и скорость распространения упругой волны, будет иметь более сложную функциональную зависимость от рассматриваемых свойств материала, чем свойство, описываемое тензором второго ранга, в частности, проводимостью. Поэтому использование этой фор- мулы в широком диапазоне пористостей вряд ли имеет смысл. Однако, оценка относительного из- менения величины θп в процессе роста площадок металлической связи в межчастичных контактах при постоянной θ ≈ 26 % вполне оправдана. В случае коэффициента затухания упругой вол- ны каждый из рассматриваемых механизмов вно- сит дополнительное рассеивание энергии упругой волны, традиционно описываемое аддитивно: αэ = αо + αп + αк, (3) где αо, αп, αк – коэффициенты затухания упругой волны, обусловленные поглощением в матрице, рассеиванием на порах качеством контактов между частицами соответственно. В формулах (1)—(3) Vо и αо определяются свойствами исходного порошка. Численные зна- чения величин Kп и αп были оценены нами в работе [7]. Следует отметить, что увеличение вол- нового размера элементов структуры до значений λ ≈ 10А (в некоторых материалах и более), т.е. переход из области релеевского в область стохас- тического рассеивания приводит к увеличению чувствительности акустического поля к неоднород- ностям материала [10], сохраняя при этом ста- тистическую однородность самого поля. Необхо- димый волновой размер можно задать выбором соответствующей частоты зондирующего сигнала. Оценим величины Kд и αк. Отметим, что фор- мулы (1) и (3) остаются справедливыми и в случае неспеченного материала (прессовок). На этой стадии технологического процесса свойства мате- риала, в том числе и акустические, существенно зависят от качества контакта [1]. Эксперименталь- ные данные [1, 3—7, 11] показывают, что у нес- печенного или недостаточно спеченного материала величины Kд и αк могут быть определяющими при формировании Vэ и αэ. Однако, для спечен- ного материала на основании данных работы [1] можно сказать, что при сформировавшихся хи- мических контактах между исходными частицами материала влияние величины Kд на Vэ, на порядок меньше, чем Kп. Поскольку дефектность матери- ала рассчитывается с учетом его пористости, то даже небольшая ошибка в оценке влияния пос- ледней на эффективное значение скорости расп- ространения упругих волн приведет к существен- ной погрешности оценки дефектности материала. К аналогичному выводу приводит анализ в соот- ветствии с предложенной нами [7] зависимостью скорости от пористости, в которой малым измене- ниям пористости соответствуют малые изменения скорости, а большим – большие. В виду малости θд по сравнению с θ и величина Kд будет сущес- твенно меньше отличаться от единицы, чем Kп. Для предложенной структурной модели осо- бенности формирования акустического поля при наличии дискообразных дефектов связаны с двумя механизмами: отражением от дефекта и прохож- дении части энергии упругой волны через воз- душный слой. Учитывая независимость (по пос- тановке задачи) вклада каждого дефекта в фор- мирование акустического поля, будем рассматри- вать каждый дискообразный дефект как отдель- ный источник неоднородности. Тогда суммарный вклад всех дискообразных дефектов будет опре- деляться их объемным содержанием θд. Экспери- ментальные и теоретические исследования послед- них лет [12] показали, что амплитуда отраженной полым диском волны при малых волновых раз- мерах диска, как и для сферической поры прямо пропорциональна кубу волнового размера. Поэ- тому и в случае коэффициента затухания оценку величины αк можно проводить аналогично αп. Учитывая, что размеры дискообразных пор не превосходят размеры сферических, их объемная концентрация существенно меньше, можно и для коэффициента затухания упругой волны сделать вывод аналогичный скорости распространения: вклад αк в эффективный коэффициент затухания существенно меньше, чем αп. Если волновая вы- сота диска мала (< 0,002 [12]), то через него мо- жет проходить часть энергии упругой волны – тогда величина αк становится еще меньше. Такая ситуация может возникнуть, если механический контакт при спекании не превратился в химичес- кий, или при релаксации напряжений в результате упругого последействия возник разрыв химической связи между частицами материала. Таким образом, в спеченном материале коли- чественная оценка макродефектности материала по скорости распространения и коэффициенту зату- хания упругой волны существенно осложнена вви- 42 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2006 ду сравнительной слабости эффектов, вызываемых ими при распространении упругой волны. Для всех трех моделей вопрос численной оцен- ки дефектности контактов с помощью акустичес- ких методов сводится к разделению влияния на акустические характеристики материала пористос- ти и дефектности. В известных методах приме- нения скорости распространения упругих волн для контроля одного из этих свойств материала не- обходимо знать или оценить влияние на скорость другого. Разделение этих двух задач, как уже говорилось выше, далеко не всегда возможно. По- лученный результат анализа предполагает исполь- зование других по сравнению с существующими методиками подходов при решении поставленной задачи. Принципиально другой подход состоит в ис- пользовании методов контроля, более чувствитель- ных к контактообразованию, чем к пористости. Одно из таких возможных направлений связано с реализацией для порошковых материалов из- вестного [13] способа контроля дефектности ма- териала. В способе используется измерение коэф- фициента затухания и скорости распространения упругих волн при статическом нагружении мате- риала при разных усилиях в пределах упругости. Использование статического нагружения с неболь- шими усилиями позволяет, не изменяя общей по- ристости материала повысить чувствительность акустических параметров к несовершенным кон- тактам за счет усиления проявления нелинейных эффектов, связанных с величиной раскрытия плос- кого дефекта (особенно с малым раскрытием без нагрузки) и заменой абсолютных измерений от- носительными. Следует отметить, что, поскольку исследуемые явления имеют сложный характер, то возможность использование предложенных методов решения требует экспериментального подтверждения. Экспериментальные исследования. Проверку возможностей акустических методов проводили на полидисперсном порошковом железе и с помощью модельного эксперимента на беспористом образце, позволяющем выделить влияние самого дефекта на акустические свойства материала. Для исследований контактных явлений в по- лидисперсном порошковом железе были изготов- лены при разных усилиях прессования образцы цилиндрической формы. Экспериментальные из- мерения скорости распространения продольной уп- ругой волны проводили методом радиоимпульса с дискретной задержкой, а коэффициента зату- хания – методом импульса сравнения [3] на час- тоте 0,6 МГц со сквозным прозвучиванием иссле- дуемых образцов материалов по высоте. Методики измерений перечисленных параметров и исполь- зованная аппаратура описаны в работе [5]. При измерениях в прессовках порошковых ма- териалов было дополнительно учтено, что они име- ют различную жесткость образцов, зависящую от пористости. Поэтому для обеспечения постоянного усилия прижатия преобразователя к поверхности, обеспечения контроля за расстоянием между пре- образователями и параллельности их рабочих по- верхностей разработана оригинальная конструкция акустической измерительной камеры (рис. 2). В этой камере исследуемый образец 1 зажимают между излучающим 2 и приемным 3 электроа- кустическими преобразователями. Усилие прижи- ма регулировали с помощью груза в пределах 10…50 Н (на рисунке не показан). Толщина об- разца и параллельность рабочих поверхностей пре- образователей контролируется с помощью инди- каторов 4 часового типа. На обе плоскости образца наклеена пленка типа «Скотч» толщиной 0,02 мм. Она улучшает акустический контакт образца с пре- образователями: липкий слой пленки увеличивает суммарную площадь контакта на границе плен- ка—образец и позволяет использовать контактную жидкость (воду) на границе преобразователь— пленка, предохраняя пористый материал образца от проникновения в него жидкости. Результаты измерений скорости распростране- ния и коэффициента затухания упругих волн как функции статической нагрузки в порошковом же- лезе представлены на рис. 3. Из рис. 3 видно, что процесс компактирования полидисперсного материала проходит немонотон- но. Такая немонотонность характерна для многих физико-механических характеристик порошковых Рис. 2. Акустическая измерительная камера для контроля прес- совок с регулировкой статической нагрузки на образец Рис. 3. Экспериментальные зависимости скоростей распростра- нения продольной упругой волны при наибольшей и наименьшей статической нагрузке на образцы прессовок из полидисперсного порошкового железа и отношения этих скоростей от пористости материала: 1 – vmax; 2 – vmin; 3 – vmin/vmax ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2006 43 материалов [14—16]. В результате металлографи- ческих исследований структуры прессовок поли- дисперсного порошкового железа этого же состава [17] установлено, что при уплотнении исходного порошка при разных уровнях давлений наблюда- ются за счет особенностей контактообразования пе- риодические с шагом пористости порядка 2 % из- менения в структуре спрессованного материала. Именно такие периодические возмущения с точ- ностью до указанных значений пористостей наб- людаются и на зависимостях скоростей распрос- транения упругих волн и их соотношений. Причем, для абсолютных значений скоростей распростра- нения упругих волн наблюдается общая тенденция к уменьшению с увеличением пористости, а ано- малии скорости, обусловленные контактообразо- ванием, проявляются на фоне этой тенденции. Как и предполагалось при анализе моделей, отношение скоростей не зависит от пористости, но остаются аномалии, обусловленные, надо полагать, кон- тактообразованием. Из этого следует, что пред- ложенный подход позволил разделить механизмы, влияющие на изменение скорости распространения упругих волн, обусловленные уплотнением и кон- тактообразованием. Дополнительно был проведен модельный экс- перимент по выявлению зависимости коэффици- ента затухания и скорости распространения уп- ругой волны от статической нагрузки при разных степенях дефектности образца. Измерения прово- дили на образце из алюминиевого сплава Д16чАТ (рис. 4). Литой материал можно рассматривать как идеально спеченный порошковый материал, т. е. беспористый с идеальными контактами. Де- фектные контакты в материале моделировалась ус- талостными трещинами разного раскрыва, разви- вающимися в результате циклического деформи- рования образца. Для формирования усталостной трещины в требуемом месте в образец был введен концентратор напряжений в виде сквозного от- верстия. Для проведения циклического и стати- ческого нагружения образец зажимался на уста- новке Amsler по площадкам А. На площадках Б к образцу были приклеены по методике [18], обес- печивающей стабильность акустического контакта в процессе испытаний, стандартные наклонные электроакустические преобразователи на 5 МГц, позволяющие возбуждать в материале упругую волну Лемба симметричного типа. Объем озвучи- ваемой области составлял примерно 3600 мм3. Об- разец подвергали циклическому симметричному растяжению — сжатию по методике [19]. Под дейс- твием циклической нагрузки в образце от кон- центратора напряжения в обе стороны развивались усталостные трещины, площадью раскрыва ори- ентированные перпендикулярно приложению наг- рузки. Размеры трещины контролировали с по- верхностей образца с помощью микроскопа МБС- 9. До нагружения в образце были проведены из- мерения зависимостей скорости распространения и коэффициента затухания упругой волны от ста- тической нагрузки, не превышающей предела уп- ругости материала. Волновые размеры концент- ратора велики, поэтому он воспринимался акус- тической волной как макроэлемент и не влиял на измерения относительных значений акустичес- ких характеристик материала. Погрешность отно- сительных измерений в данном эксперименте сос- тавляла для скорости распространения упругой волны – не более 0,01 %, а для затухания – 0,1 дБ. При различных размерах трещины наг- ружение образца приостанавливали и проводили повторные измерения скорости распространения и коэффициента затухания упругой волны. Резуль- таты относительных изменений скорости распрос- транения и коэффициента затухания упругой вол- ны от относительного (по сравнению с озвучива- емым объемом материала) размера трещины для двух уровней статического растяжения представ- лены на рис. 5. Из рис. 5 видно, что изменения скорости рас- пространения и коэффициента затухания имеют взаимно обратную зависимость и от статического нагружения материала и от размера дефекта. При этом, если скорость на рассмотренных интервалах величин нагрузки и дефекта изменяется несущес- твенно, то коэффициент затухания – более, чем в два раза. Как видно, и в этом случае коэф- фициент затухания обладает существенно большей чувствительностью, однако, скорость можно из- мерять с существенно большей точностью. Проведенные измерения подтвердили чувстви- тельность указанных характеристик к наличию плоских дефектов в материале. Следует отметить, что в реальных порошковых материалах концен- трация плоских дефектов на несколько порядков превышает исследованную в эксперименте. Из рис. 5 видно, что изменение обеих акустических характеристик материала резко возрастает при уве- личении объемной доли дефекта или уровня наг- ружения. Поэтому следует предположить, что в реальных порошковых материалах чувствитель- ность их к дефектности материала существенно возрастет. Поскольку всегда можно выбрать такой уровень статического нагружения, чтобы поры не Рис. 4. Образец для измерений скорости распространения и коэффициента затухания упругой волны при статическом и цик- лическом нагружении Рис. 5. Зависимости изменения затухания и скорости распрост- ранения упругих волн от относительного объема усталостной трещины в образцах из сплава Д16чАТ при статическом растя- жении 10 и 40 МПа: 1, 2 – скорость 40 и 10 соответтсвенно; 3, 4 – затухание 40 и 10 соответственно 44 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2006 влияли на изменения акустических характеристик, то, очевидно, и в случае спеченного материала, их относительные изменения позволят отделить задачу контроля контактов от контроля изомерной пористости. Последний эксперимент носил достаточно ус- ловный характер, но принципиально отразил воз- можность решения задачи и наглядно показал наличие численной связи изменений акустических характеристик с дефектностью спеченного матери- ала при приложении к нему статической нагрузки. Выводы В результате анализа физических моделей порош- ковых материалов на различных стадиях их из- готовления выявлены основные закономерности формирования акустических полей в соответству- ющих случаях. Отмечено, что основной проблемой при контроле дефектности контактообразования с помощью акустических методов является необхо- димость разделения влияния на акустические ха- рактеристики материала процессов компактирова- ния и контактообразования. Предложены ориги- нальные акустические методы контроля качества контактообразования, основанные на относитель- ных измерениях скорости распространения и коэф- фициента затухания упругой волны при статичес- ком нагружении материала. В результате экспериментальной проверки предложенных методов на прессовках из поли- дисперсного порошкового железа и модельном эк- сперименте подтверждена возможность использо- вания относительных изменений коэффициента за- тухания и скорости распространения упругих волн для контроля дефектности контактов на стадии прессования, при спекании материала и в спечен- ном материале. Для решения рассматриваемой задачи дальней- шие работы целесообразно вести в направлении по- лучения статистических данных для разработки численных методов оценки качества контактообра- зования по результатам измерения акустических характеристик материала. 1. Скороход В. В., Солонин С. М. Физико-механические ос- новы спекания порошков. – М.: Металлургия, 1984. – 159 с. 2. Косторнов А. Г. Материаловедение дисперсных и порис- тых металлов и сплавов. В 2 т. – Т.1. – Киев: Наук. думка, 2002. – 572 с. 3. Роман О. В., Скороход В. В., Фридман Г. Р. Ультразву- ковой и резистометрический контроль в порошковой ме- таллургии. – Минск: Вышэйш. шк., 1989. – 182 с. 4. Скороход В. В. Теория физических свойств пористых и композиционных материалов и принципы управления их микроструктурой в технологических процессах // По- рошк. металлургия. – 1995. – № 1. – С. 53—71. 5. Безымянный Ю. Г., Вдовиченко А. В., Кузьменко В. А. Некоторые результаты акустических исследований матери- алов, изготовляемых методами порошковой металлургии / Препринт. – Киев: НАН Украины, ИПМ, 1994. – 63 с. 6. Исследование межчастичных контактов в пористых волок- новых материалах из меди на ранних этапах спекания / А. Г. Косторнов, В. Н. Клименко, Ю. Г. Безымянный, А. Г. Боровик // Порошк. металлургия. – 1999. – № 9—10. – С. 13—17. 7. Безымянный Ю. Г. Использование акустических характе- ристик для контроля структуры пористых материалов // Электронная микроскопия и прочность материалов / Сб. науч. трудов, Киев, 1999. – С. 93—105. 8. Безымянный Ю. Г. Возможности акустических методов при контроле структуры и физико-механических свойств пористых материалов / Порошк. металлургия. – 2001. – № 5—6. – С. 23—33. 9. Неразрушающий контроль и диагностика: Справ. / Под ред. В. В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2003. – 656 с. 10. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. – М: Мир, 1972. – 238 с. 11. Косторнов А. Г. Материаловедение дисперсных и порис- тых металлов и сплавов. – В 2 т. – Т.2. – Киев: Наук. думка, 2003. – 552 с. 12. Ермолов И. Н. Достижения в теоретических вопросах ультразвуковой дефектоскопии, задачи и перспективы // Дефектоскопия. – 2004. – № 10. – С. 13—48. 13. А. с. СССР № 1397823. Способ контроля дефектности из- делия / Безымянный Ю. Г. – Б. И. № 19, 1988. 14. Особенности уплотнения металлических порошков при прессовании / И. М. Федорченко, А. Е. Кущевский, Т. Ф. Мозоль, В. Ф. Чудовский // Порошк. металлур- гия. – 1987. – № 3. – С. 13—17. 15. Дискретная зависимость свойств порошковых сталей от пористости / В. Н. Анциферов, С. Н. Боброва, С. А. Ог- лезнева, Ю. И. Рогозин // Перспективные материалы. – 1999. – № 4. – С. 51—57. 16. Особенности деформации высокопористых металлических материалов / В. В. Скороход, А. Н. Леонов, С. М. Соло- нин и др. // Порошк. металлургия. – 2002. – № 5/6. – С. 32—40. 17. Исследование структуры порошкового железа с различной пористостью методом растровой электронной микроскопии / А. Е. Кущевский, В. Т. Бондарь, Н. А. Крылова и др. // Там же. – 1990. – № 9. – С. 91—95. 18. А. с. СССР № 1335866. Способ контроля качества акусти- ческого контакта / Безымянный Ю. Г. – Б. И. № 33, 1987. 19. Усталостные испытания на высоких частотах нагружения / Под ред. В. А. Кузьменко. – Киев: Наук. думка, 1979. – 336 с. Ин-т проблем материаловедения им. И. М. Францевича НАН Украины, Киев Поступила в редакцию 14.03.2006 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2006 45

Анализ возможностей акустических методов по выявлению дефектности контактов в порошковых материалах

Institution

Ähnliche Einträge