Абразивные инструменты контро­лируют интегральными методами вынуж­денных или свободных колебаний [82; 237]. Такой контроль основан на корреля­ционной зависимости между упругими характеристиками материала и эксплуата­ционными свойствами инструментов - твердостью и стойкостью (ресурсом). Ин­формативными параметрами служат соб­ственные частоты / изделий, стержневая

скорость звука с0 = - JE/р (р - плотность) и модуль Юнга Я. Собственные частоты

зависят не только от упругих постоянных материала ОК, но от его размеров и фор­мы, а также вида (моды) возбуждаемых колебаний, поэтому значение с0 находят из соотношения с0 = Ff где F - коэффициент формы. При необходимости определения модуля Юнга дополнительно измеряют плотность.

Как отмечалось, при контроле мето­дом вынужденных колебаний ОК возбуж­дают контактными преобразователями (обычно пьезоэлектрическими), а собст­венные частоты регистрируют по резо­нансному увеличению амплитуды колеба­ний. Для устранения влияния неинформа­тивных составляющих спектра выполняют спектральный анализ по специальной про­грамме с применением компьютера.

При использовании интегрального метода свободных колебаний ОК возбуж­дают ударом и измеряют центральную частоту затухающих импульсов. Неин­формативные составляющие спектра уст­раняют полосовыми фильтрами и устрой­ствами управления процессом измерения.

Для уменьшения влияния опор их располагают в узлах колебаний соответст­вующих мод, а излучатель и приемник - вблизи пучностей. Иногда, для уменьше­ния влияния на собственные частоты ОК, приемник размещают вблизи узла, однако это снижает амплитуду принятого сигна­ла.

В ОК в виде брусков или стержней возбуждают изгибные или продольные колебания, формы которых показаны на
рис. 7.67. В абразивных кругах, имеющих форму диска с центральным отверстием, возбуждают изгибные или радиальные планарные (плоские) колебания (рис. 7.68). На рисунках штрих - пунктирными линиями показаны узловые плоскости, тонкими линиями - форма ОК через полпериода колебаний. Знаки "+" и указывают направление движения час­тей круга вверх и вниз перпендикулярно плоскости круга.

Частоты плоских колебаний тонкого (по сравнению с длиной волны) диска и продольных колебаний тонкого стержня, в отличие от изгибных колебаний этих объектов, практически не зависят от толщины изделия. Это сокращает число учитываемых параметров ОК и упрощает контроль, поэтому в России для контроля абразивных кругов применяют

преимущественно плоские колебания, а для брусков - продольные.

Отечественная аппаратура для кон­троля абразивных инструментов методами свободных и вынужденных колебаний

а) б)

Рис. 7.68. Формы изгибных (а) и
плоских (б) колебаний диска с центральным
отверстием на основной частоте

Рис. 7.69. Установка диска с отверстием при контроле интегральным методом свободных колебаний с использованием плоских колебаний

позволяет индицировать в цифровом виде собственную частоту, скорость звука, зву­ковой индекс (см. ниже), модуль Юнга, а также твердость абразивных изделий в принятом для них буквенном обозначе­нии.

Приборы типа "Звук-203М", разрабо­танные и выпускаемые ВНИИАШ (С.- Петербург), предназначены в основном для контроля крупногабаритных изделий (в частности, абразивных кругов) методом свободных колебаний. Они портативны (масса менее 0,5 кг), просты для примене­ния и не требуют специальных опор. Кон­тролируемый круг устанавливают на полу или столе, а ударник 1 и микрофонный приемник 2 располагают под углом 45° к диаметру, проходящему через опору (рис. 7.69) и совпадающему с узлом сме­щений (и колебательных скоростей). Это создает оптимальные условия для возбуж­дения плоских колебаний.

Отечественная аппаратура (приборы "Звук-1 ЮМ") использует метод вынуж­денных колебаний. Она позволяет контро­лировать малогабаритные изделия, в том числе такие, которые пока недоступны для зарубежной аппаратуры (например, абра­зивные круги диаметром от 3 мм).

За рубежом для контроля абразивных кругов диаметром более 50 мм методом собственных колебаний применяют при­боры Grindo Sonic бельгийской фирмы

J. W. Lemmens N. V. В отличие от отечест­венной аппаратуры, в них используют в основном изгибные колебания. Контроли­руемый ОК в форме диска с центральным отверстием опирается на коническую опо­ру с четырьмя ребрами, совпадающими с узловыми диаметрами (рис. 7.70.). Излу­чающий и приемный преобразователи располагают в пучностях скоростей (зонах 1 и 2). Модуль упругости вычисляют по специальной компьютерной программе.

Рис. 7.70. Установка диска с отверстием при контроле с использованием изгибиых колебаний: 1 ~ зона возбуждения колебаний; 2 - зона их приема

Контроль абразивных изделий регла­ментирует ГОСТ 25961-83. В соответст­вии с этим стандартом качество кругов характеризуют "звуковым индексом", представляющим собой величину 0,01сср, где сср - среднее значение скорости звука (для тонкого стержня) в материале ОК в м/с. Звуковые индексы имеют дискретные значения с шагом 2 (т. е. 200 м/с).

Рассматриваемый метод введен также в стандарты: ГОСТ 2424-83 "Круги шли­фовальные. Технические условия", ГОСТ 21963-82 "Круги отрезные. Технические условия", ГОСТ 2464-82 "Сегменты шли­фовальные. Технические условия" и ГОСТ 2456-82 "Бруски шлифовальные. Техни­ческие условия".

Отрезные абразивные круги не­больших толщин контролируют также ультразвуковым эхометодом [404]. Каче­ство материала оценивают по скорости распространения продольных волн.

ОК помещают в иммерсионную ван­ну с водой между прямым широкополос­ным УЗ-преобразователем с основной час­тотой 2,25 МГц и отражателем в виде па­раллельной ОК плиты из нержавеющей стали. Задержка эхосигнала от плиты со­ставляет Т = Т] + Т2 + ІЗ, где Ті, Т2 И Тз - времена двойного прохождения УЗ - импульса в промежутках преобразователь - ОК, самом ОК, и ОК - плита соответст­венно. Измеряют разность ДТ= Т2 - 7], где Т2 - время задержки эхосигнала от отра­жателя в отсутствие ОК. Кроме того, по эхосигналам от поверхностей ОК измеря­ют время х2. При этом учитывают проти­воположность начальных фаз этих сигна­лов, обусловленную различием условий отражения от передней и донной поверх­ностей ОК.

Скорость звука в материале ОК опре­деляют по формуле где с - скорость звука в воде. Значения АТ и т2 измеряют с помощью компьютера, поэтому изменение толщины ОК учитыва­ется автоматически. В отличие от инте­грального метода свободных колебаний, разработанная установка позволяет реги­стрировать изменения скорости звука в различных зонах ОК и получать графики изменения этой скорости по линии скани­рования.

Методом собственных колебаний в режимах вынужденных продольных и из - гибных колебаний контролируют также сталеразливочные пробки из огнеупорных материалов (ГОСТ 25714-83), керамику, изделия из чугуна (например, шапки изо­ляторов высоковольтных линий электро­передач), углеродных и других материа­лов, для которых имеются корреляцион­ные зависимости скорости звука от физи­ко-механических свойств - пористости, твердости, прочности и т. п. [237; 238; 172].

Контроль упругих свойств керами­ки. Характерным дефектом керамики и металлокерамики является пористость. Повышенная пористость снижает плот­ность, упругие свойства и прочность ма­териала, поэтому ее контролируют нераз­рушающими методами.

Контроль пористости акустически­ми методами основан на ее влиянии на модули упругости и коэффициент затуха­ния ультразвука. С увеличением степени пористости скорость звука уменьшается, затухание - растет (главным образом бла­годаря рассеянию). Зоны повышенной пористости в некоторых материалах (на­пример, ПКМ) выявляют по увеличению затухания упругих волн (см. разд. 4.13).

Связь пористости с модулем Юнга выражается в основном эмпирическими соотношениями. В [394] приведены две такие формулы:

Е = Е0 ехр(-йр) (7.5)

и

£=£Ь{1-ехр[-й(1-р)]}> (7.6)

где Е0 - модуль Юнга в отсутствие порис­тости, р - объемная пористость, Ъ - эмпи­рический коэффициент, зависящий от размеров пор, их распределения, ориента­ции и других особенностей материала (эмпирические коэффициенты в других подобных формулах этого параграфа оп­ределяются теми же факторами).

Формула (7.5) относится к материа­лам с пористостью менее 50 %, формула (7.6) - более 50 %. Формулы (7.5) и (7.6) даны без указания их применимости к конкретным материалам. Результаты их экспериментальной проверки в [394] от­сутствуют.

Связь пористости различных керамик с модулем Юнга и скоростью С/ продоль­ной волны исследовал J. P. Panakkal [397]. Им приведены предложенные нескольки­ми авторами формулы зависимости этих параметров от пористости и результаты их экспериментальной проверки. Так, Phani с соавторами предлагают формулы

Сі = с, о(1-рУ и E = E0(l-pfn+

где С/о - скорость продольной волны в от­сутствие пористости, п — эксперименталь­но определяемая константа. Предполага­ется, что коэффициент Пуассона, влияю­щий на скорость продольной волны, не зависит от пористости. Хорошее совпаде­ние с экспериментом наблюдается при п = 1.

Другими авторами предложена фор­мула

Сі = сю(-ар), (7.7),

где а - эмпирический коэффициент. Ре­зультаты экспериментальной проверки этой формулы на керамиках различного типа приведены в табл. 7.6.

Формула (7.7) позволяет определить значение объемной пористости

р = (сю-сі)/асю= А с/(асю),

где Ас - изменение скорости продольной волны.

Для многих керамик справедлива формула

Е=Е0(-кАс), где к - постоянная.

Зависимость модуля Юнга от порис­тости, полученная на основе теории упру­гости, для произвольного распределения пор сферической формы имеет вид

Е = Е0( - р)( + кнрУ1 = Е0( - к, Ас),

где кн и к г; - постоянные. Таким образом, зависимости отношения Е/Е0 от скорости звука имеют линейно-падающий характер. При этом разность скоростей Ас служит основным информативным параметром для оценки пористости и упругих посто­янных керамики.

Приведенные данные показывают возможность контроля модуля Юнга раз­личных керамик по изменению скорости продольной волны в диапазоне изменения объемной пористости от 0 до 0,45. По­грешность оценки от 0 до 10 %, коэффи­циент корреляции - от 0,97 до 0,99.

Рассмотренные линейные зависимо­сти отношения Е/Е0 от разности скоростей Ас справедливы для оценки модулей Юнга пористых керамик, применяемых в ядер - ных установках, конструкционных кера­мик, материалов на основе глины, сверх­проводящих керамик, а также металлоке - рамик в пределах более чем двукратного изменения Е. Расхождение теоретических результатов с экспериментальными дан­ными обусловлено разными размерами, формой и распределением пор в объеме материала. Приведенные зависимости справедливы только для материалов, по­лученных методом спекания из порошка. Они не относится к материалам, получен­ным по пенообразующим технологиям.

В диапазоне температур 500 ... 1000 °С упругие свойства керамики кон­тролируют также путем измерения скоро­стей упругих волн, причем для этого ус­пешно применяют бесконтактный лазер­ный способ излучения и приема этих волн [394, с. 401 ис.100].

Для комплексного контроля неболь­ших изделий (массой до 2 кг и длиной до 0,5 м) из материалов с низкими потерями (металлов, керамики, металлокерамики и

7.6. Зависимость скорости продольной волны от объемной пористости. Расчет по формуле (7.7)

Материал	Измеренная скорость продольной ВОЛНЫ Сю в отсутствие пор, м/с	Значение коэффициента а	Коэффициент корреляции г
Металлокерамика
из железа	6044	1,41	0,98
ио2	5 416	1,35	0,95
a-SiC	12 200	0,90	0,96
А120з	10 400	1,059	0,94
Si3N4	1 120	1,25	0,98
Сверхпроводящая керамика Yba2Cu307-x	565	0,807	0,99
Глиняная керамика	8379	2,203	0,96
(UO0,3PU0,7)C	4604	1101	0,92

др.) применяют интегральный метод соб­ственных колебаний [401]. В ОК возбуж­дают изгибные, продольные или крутиль­ные колебания непрерывно меняющейся частоты. Необходимый тип колебаний выбирают расположением излучающего и приемного преобразователей в определен­ных зонах ОК. Диапазон используемых частот - до 500 кГц.

При резонансах амплитуда колебаний резко возрастает. Дефекты в ОК, измене­ние физико-механических свойств и раз­меров вызывает изменение частоты резо­нанса и расщепление резонансных пиков. Метод очень чувствителен к любым изме­нениям перечисленных параметров. Так, в роликах подшипников выявляют трещины размером 0,3 х 0,001 х 0,008 мм. Метод позволяет оценивать разницу в термооб­работке, прочность на растяжение с по­грешностью + 30 МПа и твердость по Рок­веллу с погрешностью + 0,5 единиц. Как и в других интегральных методах, коорди­наты обнаруженных дефектов не опреде­ляются. Применение метода ограничено изделиями из материалов с высокой доб­ротностью. Изделия из пластиков, необож­женной керамики и им подобные контро­лировать нельзя.

Контроль структуры материала труб из армированной SiC/CAS керами­ки, карбида кремния и нитрида крем­ния. Для контроля этих объектов D. J. Roth с соавторами применили иммерсионный вариант эхометода, позволяющий изме­рять скорость УЗ с учетом изменения толщины ОК [405]. Внутрь трубы встав­ляли отражатель в виде металлического стержня, расположенного на фиксирован­ном расстоянии от преобразователя. Это обеспечивало постоянство пути УЗ-им - пульса, необходимое для автоматического учета толщины стенки контролируемой трубы. Образцы труб помещали в иммер­сионную ванну на вращающийся стол так, что отражатель находился внутри ОК, преобразователь - снаружи. О структуре образца судили по скорости продольных волн в нем. Трубу вращали, преобразова­тель смещали в вертикальном направле­нии и регистрировали значения скорости звука в материале. Номинальные толщины стенок контролируемых труб 4,1 мм (SiC/CAS) и 7,5 мм (нитрид кремния). Об­разец из материала SiC/CAS проверяли на частоте 2,25 МГц, из нитрида кремния - 20 МГц.

Приведены результаты распределе­ния скорости продольных волн в различ­ных зонах образцов. Получены линейно­падающие зависимости скорости звука от процентного содержания пор в карбиде кремния и нитриде кремния. Для карбида кремния увеличение пористости от нуля до 12 % снижает скорость звука с 12000 до 10800 м/с. Для нитрида кремния рост по­ристости от нуля до 40 % уменьшает ско­рость с 11000 м/с до 6000 м/с.

Зависимость скорости от объемного содержания армирующих волокон в SiC/CAS керамике имеет линейно-расту - щий характер. Изменение объемного со­держания волокон от 0,15 до 0,45 увели­чивает скорость звука от 5800 до 6800 м/с.