Размер зерна - один из важных по­казателей качества кристаллических мате­риалов (в частности, металлов), непосред­ственно влияющих на эксплуатационные характеристики ОК. Размер зерна опреде­лен ГОСТ 5639-65, как средний диаметр зерна, и оценивается в номерах шкалы (баллах) ГОСТа. Например, балл 0 соот­ветствует среднему диаметру зерна D = 352 мкм, а балл 14 - D = 2,7 мкм. Существуют также отрицательные баллы, например балл минус 3 соответствует D = 1 мм.

В некоторых материалах (железо, ти­тан) могут происходить аллотропические превращения, т. е. изменение строения кристаллической решетки. В результате внутри первичного зерна появляются бо­лее мелкие вторичные кристаллиты. Поня­тие зерна в этом случае обычно относят к первичному зерну, но на свойства мате­риала оказывает очень сильное влияние также и субструктура. Раздельное влия­ние первичного и вторичного зерна на распространение акустических волн пока достаточно полно не изучено, поэтому УЗ - методы в настоящее время применяют преимущественно для оценки структуры простых материалов, не имеющих суб­структуры.

Размер зерна оказывает очень боль­шое влияние на коэффициент рассеяния ультразвуковых волн (см. разд. 1.1.3), по­этому структуру контролируют по затуха­нию УЗ. Отношение длины волны X к среднему диаметру зерна выбирают в диа­пазоне от 4 до 15. На частотную зависи­мость затухания значительное влияние оказывает статистика распределения зерен по размерам.

Измерение абсолютного значения ко­эффициента затухания довольно трудоем­ко, а погрешность измерения велика (10 % и более). При производственном контроле применяют относительные способы срав­нительного измерения затухания в образ­цах и ОК.

Получил определенное распростра­нение способ структурных коэффициен­тов [334], согласно которому на двух час­тотах измеряют амплитуды донных сигна­лов в ОК и образцах с известной структу­рой и одинаково хорошей обработкой по­верхности (Ra < 2 мкм). Одну из частот (опорную) выбирают заведомо низкой, такой, чтобы затухание УЗ слабо зависело от структурных составляющих. На этой частоте приравнивают донные сигналы в образцах и ОК. Другие частоты (рабочие) соответствуют области максимального коэффициента рассеяния.

Отношения амплитуд сигналов, соот­ветствующих рабочим и опорной часто­там, называют структурными коэффици­ентами. Их определяют на ОК для различ­ных рабочих частот и сравнивают со структурными коэффициентами, получен­ными на стандартных образцах. Используя частоты от 0,65 до 20 МГц, оценивают величину зерна в аустенитных сталях в диапазонах от 1 до 9 баллов, Погрешность определения величины зерна - 1 балл шкалы ГОСТ 5639-82.

Недопустима камневидная структура, возникающая при перегреве стали. При этой структуре зерна первичного аустени­та (превратившегося при понижении тем­пературы в перлит) окружены хрупкой оболочкой из неметаллов. Такая структура вызывает повышенное затухание УЗ на частоте 2,5 МГц и хорошо обнаруживает­ся при сквозном прозвучивании [274].

Н. А. Кеслером установлено, что в металлах происходит статистическое из­менение коэффициента затухания, по­скольку сам процесс рассеяния обуслов­лен случайными факторами. В результате амплитуда донного сигнала при сканиро­вании изменяется даже при идеально по­стоянных условиях контроля. Это особен­но заметно при локализации участка про- звучивания, когда этот небольшой участок металла не является представительной выборкой распределения величин зерен, например, при прохождении УЗ неболь­шого расстояния в крупнозернистом ме­талле. Параметры статистического рас­пределения донного сигнала корреляци­онно связаны с распределением размеров зерен в металле.

При контроле структуры тонко­стенных труб и листов используют нор­мальные волны Лэмба. Определенную моду волны возбуждают и принимают раздельными преобразователями после прохождения через контролируемый уча­сток изделия. При таком структурном ана­лизе особенно сильно заметно влияние на вариацию коэффициента затухания раз­броса величин зерен.

Для контроля нитей и проволок в них возбуждают волны, распространяющиеся в стержнях [61]. Установлено влияние на ослабление УЗ степени натяжения нити, поэтому данный параметр стабилизируют. Ослабление УЗ в изделии сравнивают с ослаблением его в образцах.

Перспективный способ изучения структуры металла состоит в исследова­нии спектрального состава донного сигна­ла [235]. Изменение спектра широкопо­лосного импульса в результате разного затухания различных частотных состав­ляющих дает значительно большую ин­формацию о структуре, чем контроль на одной частоте.

Предложен способ контроля средней величины зерна по структурной ревербе­рации, поскольку, как отмечено в разд.

1.1.3, рассеяние на зернах - основная при­чина затухания УЗ в металлах. Способ позволяет оценить изменение структуры по направлению УЗ-луча. Он учитывает

П О Рис. 7.37. Установка для излучения обратного рассеяния: П - преобразователь; О - образец; М - магнитное вращающее устройство; Д - УЗ-дефектоскоп; К - компьютер; Пр - принтер

разные закономерности формирования уровня структурных помех в ближней и дальней зонах преобразователя и зависи­мость коэффициента затухания от частоты и среднего диаметра зерна.

В институте ВАМ (Германия) [422, с. 3124] разработана иммерсионная уста­новка для измерения затухания и обратно­го рассеяния (рис. 7.37). Измеряются ко­эффициенты затухания, рассеяния и по­глощения.

В [425, с. 358/308] предложено ис­пользовать структурные шумы, получен­ные приемо-передающим преобразовате­лем, как индикатор анизотропии изделия и рассчитывать по шумам коэффициент за­тухания. Поле, возникающее в результате рассеяния УЗ на кристаллитах (зернах) металла, зависит от величины зерен и их преимущественной ориентации. Исследу­ется многопроходная дуговая сварка ау­стенитных материалов.

На структуру сварного соединения влияют скорость движения электрода, форма подкладного кольца, электрические параметры процесса, форма разделки шва, распределение температур, направление застывания расплавленного металла. Зна­ние коэффициентов затухания в соедине­нии позволит выбрать оптимальные на­правления для контроля (см. разд. 5.1.3.1).

Как известно, затухание УЗ опреде­ляется совокупным действием двух меха­низмов: поглощения и рассеяния. Рассея­ние для частот 1 ... 20 МГц происходит преимущественно в рэлеевской области, где коэффициент рассеяния пропорциона­лен четвертой степени частоты. Авторы предлагают формулу для расчета коэффи­циента затухания, исходя из структурных помех. Эффектом поглощения пренебре­гают.

Экспериментальные исследования выполняли на толстых аустенитных свар­ных швах с V-образной разделкой. Метал­лографическими исследованиями устано­вили наклон оси дендритов: минус 27°. Расчет и эксперимент выполняли для по­перечных волн, поэтому углы падения (в воде) ограничивали критическими значе­ниями 15 ... 28°. При этом в стали углы ввода изменялись от 34 до 90° (рис. 7.38, а). Различали направления, совпадающее и не совпадающее с направлением денд­ритов.

По уровню помех для различных уг­лов (36 реализаций для каждого угла с шагом 2°) рассчитаны значения коэффи­циентов затухания (рис. 7.38, б). Авторы не знают действительных величин коэф­фициентов затухания и считают экспери­менты предварительными.

В [422, с. 990] изучали распределение величины зерен в углеродистой стали ультразвуковым спектральным методом и по магнитным шумам Баркгаузена. УЗ - исследования проводились на частоте около 10 МГц. С ростом величины зерен максимальная составляющая спектра сме­щалась в низкочастотную область, ампли­туды уменьшались.

Ультразвуковой спектральный ана­лиз также использовался в [422, с. 1057]. Измерялось ослабление различных час­тотных составляющих при прохождении УЗ в аустенитных сталях. Коэффициент затухания 5 изменялся с частотой / по из­вестному закону

§ = cj + c2f

1

2

а)

Рис. 7.38. Схема эксперимента по измерению уровня помех в аустенитном сварном соединении (а) и изменение (б) коэффициента затухания а (в Неперах на метр) в зависимости от угла преломления УЗ-луча в градусах по отношению к направ­лению дендритов: 1 - направление дендритов и близкое направление УЗ; 2 - противоположное направление; 3 - предельные значения углов падения; 4 - зона неопределенности; 5 - коэффициент затухания в направлении дендритов; 6 - коэффициент затухания в противоположном направлении

причем по коэффициенту с2 удавалось оценить среднюю величину зерна, которая удовлетворительно совпадала с результа­тами металлографического анализа.

При эксплуатации металлов при вы­соких температурах, в частности паропро-

Рис. 7.39. Корреляционная связь предела текучести стали паропроводов о02> МПа, от скорости УЗ (деления шкалы)

водов из стали 12Х1МФ, происходит рост кристаллитов и уменьшение прочности. В результате скорость УЗ растет. Это откры­вает возможность оценки состояния ме­талла паропроводов по скорости звука [42], что является важной практической проблемой.

На рис. 7.39 показана корреляцион­ная связь предела текучести стали о0,г па­ропроводов от показаний прибора, изме­рявшего скорость методом синхрокольца. При повышении скорости время пробега импульса в ОК уменьшается, что регист­рируется прибором. В статье предложена корреляционная зависимость прочности от скорости для целей производственного контроля.

Большой разброс данных делает та­кой контроль недостаточно надежным. Более перспективно постоянное слежение за изменением скорости звука на одном и том же участке паропровода. Кроме того, при эксплуатации паропровода со сни­женной прочностью в нем будут возни­кать микротрещины, что приведет к по­нижению скорости. Это можно заметить при слежении за изменением скорости звука на одном и том же участке, но нель­зя учесть при оценке прочности по скоро­сти на различных участках.

В. В. Муравьев и др. [421, докл. 2.153] применяли измеритель структурных прев­ращений ИСП-12 для НК дефектов, струк­турных повреждений и прочности металла железнодорожных колес и подшипников, используя связь этих параметров со ско­ростью УЗ-волн. Исследования проводи­лись на таких деталях подвижного состава железнодорожного транспорта, как внут­ренние кольца подшипников, ободья колес вагонов и бандажи колес локомотивов.

При измерениях использовали РС- преобразователь поверхностных волн с расстоянием между излучателем и прием­ником 25 мм. Поверхностная УЗ-волна распространялась по образующей и оги­бающей поверхности исследуемых цилин­дрических деталей. Обнаружили влияние на скорость УЗ структур, образующихся в результате перегрева сталей при закалке, и механических характеристик, изменяю­щихся при эксплуатации деталей. Наблю­дались изменения скорости звука до 3 %. Отмечено резкое падение скорости при появлении трещин на поверхности дета­лей. Выявлено, что с ростом твердости поверхности колес скорость поверхност­ной акустической волны уменьшается.

Контроль неметаллических вклю­чений. В Сибирской государственной академии путей сообщения (г. Новоси­бирск) установлено, что с увеличением интенсивности загрязнения стали стро­чечными неметаллическими включениями скорости продольных и поперечных волн увеличиваются. На увеличение скорости влияет длина включений (более 40 мкм) ширина (более 4 мкм) и количество на единицу поверхности шлифа. Несплошно - сти такого небольшого размера не дают отражений н не могут быть выявлены при обычном дефектоскопическом контроле.

Наибольшее абсолютное изменение скорости имеет поперечная волна, поля­ризованная поперек направления прокат­ки: от 3,255 до 3,295 мм/мкс при увеличе­нии интенсивности строчечных включе­ний от 0,003 до 0,03. Интенсивность опре­делялась средней длиной, шириной и ко­личеством включений на единицу поверх­
ности. Коэффициент корреляции 0,85 ... 0,96.

На основании этих исследований разработана установка УМАР-1 для кон­троля сплошности металла рельсов по из­мерению скорости УЗ с погрешностью не хуже 0,1 %. Для контроля можно также использовать измерение отношения ско­ростей продольных и поперечных волн. В этом случае отпадает необходимость в точном измерении размеров ОК

Исследование процесса усталост­ного разрушения осуществляют по ско­рости и затуханию УЗ. При многократной нагрузке металла напряжением, значи­тельно более низким, чем предел прочно­сти, в нем образуются микротрещины, которые соответствуют начальной стадии разрушения. Появление микротрещин вы­зывает уменьшение скорости и увеличе­ние затухания УЗ.

На рис. 7.40 [291] показано измене­ние амплитуды в отрицательных децибе­лах сквозного сигнала (использовался ме­тод прохождения на постоянной базе) го­ловных волн на частоте 5 МГц в зависи­мости от числа N циклов изгибного на­гружения образца. В начальной стадии испытаний амплитуда немного возрастала, а при 300 000 - 380 000 циклах сильно уменьшалась.

Перерыв в испытаниях вызывал вос­становление первоначальной амплитуды сквозного сигнала, но повторное цикличе­ское изгибное нагружение более быстро

Рис. 7.40. Изменение амплитуды сигнала головных воли в зависимости от числа циклов испытаний УУ-образца с надрезом из стали 00Х12НЗД

вызывало ослабление УЗ. Применение более высоких частот и поверхностных волн вместо головных приводило к тому, что ослабление сквозного сигнала проис­ходило при меньшем числе циклов.

В работе [279] оценивается степень повреждаемости образцов при усталост­ных испытаниях по изменению периода собственных колебаний и по демпфирова­нию (рис. 7.41) Установлено, что измене­ния этих величин коррелируют с размером усталостной трещины. Особенно заметно меняется демпфирование.

Одна из важных проблем контроля поковок и проката в условиях их эксплуа­тации - изучение с помощью УЗ усталост­ных повреждений от крипа - ползучести

Рис. 7.42. Схема акустического блока для контроля повреждений от крипа трубных элементов

материала с образованием микротрещин. В университете г. Осака (Япония) иссле­дуются различные способы оценки уста­лостного повреждения металла приме­нительно к прогнозированию ресурса ро­торов турбин. Установлено, что особенно значительно увеличение затухания попе­речных волн на высоких частотах (15 ... 30 МГц) при использовании ЭМА-преоб - разователей. Эффективен также способ оценки усталости металла по уровню структурных шумов. Измеряется инте­гральный уровень шумов в том же диапа­зоне 15 ... 30 МГц [131].

В [425, с. 347/012] проведены экспе­рименты по исследованию крипа на образ-

Рис. 7.43. Схема контроля трубы на повреждения от крипа

цах из медного сплава. Они показали, что при крипе образуются пустоты на грани­цах зерен. Плоскость их раскрытия пер­пендикулярна к направлению приложен­ной нагрузки. Это приводит к уменьше­нию скорости продольных волн в данном направлении. Уменьшение скорости в перпендикулярных направлениях значи­тельно меньше.

Таким образом, уменьшение скоро­сти коррелирует с несферичностью пор и их ориентацией. На этой основе предло­жен метод оценки повреждений от крипа. Применение анализа с помощью метода нейронной сети и разбиения ОК на слои по толщине позволяет определить про­странственное распределение пустот по обратному рассеянию. Предсказанное ко­личество несплошностей удовлетвори­тельно совпадает с измеренным.

В АО УралОРГРЭС (г. Екатеринбург) разработаны акустический блок и схема измерения для определения повреждений от крипа трубных элементов (гибов) паро­вых котлов методом прохождения. Ис­пользуется изменение скорости волны Рэлея в неповрежденном сн и исследуемом с„ образцах. Приняты меры по повыше­нию точности измерений путем исключе­ния времени пробега УЗ-импульса в сис­теме преобразователей /пр по прохожде­нию импульса между пьезопластинами 1-2 и 1-3 (рис. 7.42). Изменение скорости обратно пропорционально изменению вре­мени пробега t:

(сн — си )/сн — (^и — )/((н ~ ^гтр ) •

В [422, с. 605] сообщается о контроле труб химических установок на поврежде­ния от крипа. Крип начинается от поверх­ности трубы под влиянием повышенных температуры и давления и представляет реальную опасность, когда распространя­ется до середины толщины стенки. Для контроля используют метод прохождения с контактом через локальную иммерсион­ную ванну (рис. 7.43). Развитие крипа ухудшает прохождение УЗ-волн, ампли­туда уменьшается в 3 ... 4 раза.

В [425, с. 284/238] также рассмотрен вопрос контроля стальных труб диамет­ром 87 ... 151 мм с толщиной стенки

7,6 ... 21,8 мм на повреждения от крипа. Для выявления микротрещин также пред­ложено применять метод прохождения по хорде и измерять амплитуду и энергию прошедшего сигнала (см. разд. 3.3.2.2).

В работе [283] установлено уменьше­ние скорости рэлеевских волн в зависимо­сти от усталостных повреждений. Иссле­дования проводились методом прохожде­ния на постоянной базе на частоте до 15 МГц. Погрешность измерения времени не превышала 20 нс. В турбинной лопатке, выработавшей ресурс, но не имевшей микротрещин размером более 1 мкм (по данным магнитопорошкового метода), обнаружено уменьшение скорости (увели­чение времени пробега Ат) на 3 % в наи­более нагруженной зоне (вблизи замка). В то же время в лопатке, не бывшей в экс­плуатации, измерение скорости показало, что разброс скоростей не превышал 0,3 % (рис. 7.44).

Такие же закономерности установле­ны для головной волны [337]. Уменьше­ние скорости этой волны коррелирует с уменьшением твердости, пределов проч­ности и текучести стали. На распростра­нение головной волны слабо влияют не­ровности поверхности, окалина. Показана эффективность применения прибора, ос­нованного на отмеченной закономерности, для контроля состояния металла труб па­роперегревателей тепловых электростан­ций в производственных условиях.

Б. А. Конюхов и др. предлагают вести контроль накопленных усталостных по­вреждений по дисперсии скорости УЗ - волн. Разность между фазовой и группо­вой скоростями волн определяли по вре­менному сдвигу между огибающей им­пульса и одним из экстремумов синусои­дального заполнения импульса. Способ оказался на порядок более чувствитель­ным к числу циклов нагружения по срав­нению с измерением абсолютных скоро­стей.

Рис. 7.44. Результаты измерений
относительного времени распространения

УЗ-импульса поверхностных волн Дт/ *®мп в
различных точках турбиной лопатки,
бывшей в употреблении:

1 - измерительная система; 2 - излучатель
приемник поверхностных волн с фиксирован-
ной базой; 3 - условное изображение сечения
лопатки; 4 - номер точки измерения

3. Павловский [422, с. 1151] предла­гает для оценки состояния металла при усталостных испытаниях использовать величину G - производную от коэффици­ента затухания 5 по числу циклов испыта­ний N. Эта величина резко возрастает вблизи момента разрушения. На примере крутильных испытаний показано, что чем меньше G на начальной стадии испыта­ний, тем большее число циклов нагрузок

Рис. 7.45. Зависимость коэффициента G = dbldN • 10'3 от числа циклов испытаний, оставшихся до разрушения (N ■ 103 циклов)

З

♦

Рис. 7.46. Экспериментальная установка
для измерения скорости поверхностных
воли и представления сигналов на
временной развертке:

1 - интерферометр; 2 - излучатель;

3 - представление сигналов на временной развертке; 4 - время

может выдержать материал до разрушения (рис. 7.45). Таким образом, величина d8/dN может использоваться для предсказания времени эксплуатации материала.

В [425, с. 341/562] исследовался про­цесс старения стали по фазовой скорости рэлеевских волн. Старение происходит при радиации, коррозии, циклическом изменении температуры и напряжений. Поверхностная волна возбуждалась на­клонным преобразователем (рис. 7.46). Применялись частоты 2,25 и 10 МГц. Дли­тельность импульсов составляла 15 пе­риодов, чтобы приблизительно реализо­вывался режим непрерывных колебаний и не проявлялась дисперсия скорости.

В качестве приемников использова­лись два лазерных интерферометра. Время прихода импульсов измерялось интерфе­рометром в двух точках P(z) и P(z2) на расстоянии 20 мм друг от друга (база из­мерений). Погрешность измерений была

не более 0,1 %, а абсолютная погрешность измерения времени не превышала 1 мкс.

Измерения показали, что с увеличе­нием температуры отжига (снимающего эффект старения) скорость растет (рис. 7.47), причем более заметно на час­тоте 2,25 МГц. Это может быть связано с уменьшением количества зерен (и числа границ между зернами) на пути УЗ. При температуре выше 750 °С происходит рез­кое уменьшение скорости, что связано с фазовыми превращениями. Одновременно понижается твердость поверхности мате­риала и разность электрических потенциа­лов между двумя точками образца (эффект Зеебека-Т омсона).

Рис. 7.49. Относительное изменение фазовой скорости (v - v0)/v0 (а, слева), коэффициента затухания (а, справа), нелинейности Лг1Л (б) и процесса развития усталостных трещин (в) в зависимости от относительного числа циклов испытаний на скручивание N/Nfi о - максимальная длина усталостных трещин Lmax, мм; • - плотность распределения о ■ 102, мм1. Сталь, изгибная нагрузка 280 МПа, Nf= 5600 - число циклов колебаний, соответствующих разрушению

В [425, с. 337/184] предложен метод УЗ-контроля при циклических испытаниях образцов типа стержней на скручивание с изгибной нагрузкой. ЭМА-методом воз­буждались поверхностные горизонтально- поляризованные (SH) волны, обегавшие образец (рис. 7.48). УЗ-колебания совер­шались в направлении оси образца. Глу­бина проникновения УЗ-волн в образец была около 0,5 мм.

Частота колебаний модулировалась и на некоторых частотах возникал резонанс для этих волн. Измерялись частота перво­го резонанса, коэффициент затухания и нелинейность. По частоте резонанса рас­считывалась фазовая скорость. Коэффици­ент затухания определялся путем подбора экспоненциальной кривой, проходящей через амплитуды свободных колебаний образца.

Нелинейность определялась следую­щим путем. Измерялась амплитуда коле­баний на резонансной частоте А. Затем частота устанавливалась вдвое меньшей резонансной. Амплитуда основной час­тотной компоненты уменьшалась, но по­являлась компонента второй гармоники Аг, которая измерялась. Рассчитывалось отношение А!А2.

На рис. 7.49 показаны результаты од­ного из опытов. Установлено, что разру­шение наступает после первых максиму­мов коэффициента затухания и нелиней­ности через определенное значение вели­чины N/Nf.

Контроль наводороживания. При

эксплуатации металлических изделий в среде, содержащей водород, при повы­шенных температуре и давлении происхо­дит насыщение поверхностных слоев ме­талла водородом. Это вызывает раскрытие включений и образование слоя с низкой прочностью.

Применяют два основных способа контроля наводороживания: измерение

увеличения обратного рассеяния на струк­турных неоднородностях, т. е. уровня структурных шумов, и измерение отноше­ния скоростей продольных и поперечных волн.

В докладе [422, с. 658] предлагается система SEESCAN для контроля наводо­роживания путем наблюдения за уровнем обратного рассеяния в изделиях толщиной до 250 мм на развертке типа В.

Оригинальное решение проблемы измерения отношения скоростей продоль­ных и поперечных волн с целью контроля наводороживания материала труб предло­жено в Индии [422, с. 1576]. Перпендику­лярно поверхности трубы в иммерсионном варианте в стенку вводится УЗ-волна. На-

блюдают многократные отражения про­дольной волны по толщине стенки: им­пульсы A, BuD (рис. 7.50).

После третьего отражения продоль­ной волны наблюдается появление эхо - сигнала С поперечной волны. Это объяс­няется тем, что, несмотря на применение фокусировки, продольная волна расходит­ся и после нескольких многократных от­ражений падает на внутреннюю поверх­ность трубы под достаточно большим уг­лом. В результате отражения она расщеп­ляется на продольную и поперечную вол­ны. Отраженные волны проходят тот же путь в обратном направлении с трансфор­мацией на внутренней поверхности попе­речной волны в продольную.

Для расчета отношения скоростей продольных и поперечных волн измеряют интервалы времени t между импульсами В — СиВ — D:

с, tD tB

Считают, что импульс до внутренней поверхности распространяется как про­дольная волна, а от внутренней к наруж­ной - как продольная и поперечная вол­ны*. Достоинство метода - независимость результатов измерений от толщины стенки трубы. Для повышения точности измере­ния ведутся на частоте 10 МГц. Испыта­
ния показали, что в зависимости от степе­ни наводороживания отношение скоро­стей увеличивается от 2,05 до 2,80.

В [425, с. 488/153] сообщается о раз­работке универсального УЗ-прибора для контроля образцов на образование трещин от наводороживания. Образцы максималь­ным размером 600 х 600 мм длительное время находились в производственных условиях, при которых шел процесс наво­дороживания и образования трещин. За­тем они исследовались иммерсионным способом на разработанном приборе типа V1C, имеющем диапазон частот ОД... 25 МГц, четыре выхода для связи с компьютером, автоматическое сканирование, различные типы разверток. Измерялись скорость и затухание УЗ по донным сигналам. Фик­сировали также отражения от дефектов на очень высокой чувствительности. На­стройка выполнялась по плоскодонному отверстию диаметром 0,2 мм. Результаты контроля удовлетворительно совпали с разрушающими испытаниями.

Контроль термообработки сплавов. Измерение скорости ультразвука - эффек­тивное средство исследования кристалли­ческой решетки металлов, в том числе ее изменений под влиянием термообработки [240]. Равновесная структура кристалли­ческой решетки в чистых металлах соот-

Av/v, % Рис. 7.51. Относительное изменение скоростей Av/v поверхностной 1 и объемной 2 волн от времени старения т (часы) сплавов алюминия

ветствует максимальной скорости УЗ. Ис­кажения кристаллической решетки (дис­локации), образование твердых растворов (особенно пересыщенных) вызывает сни­жение скорости. Напротив, распад твер­дых растворов вызывает повышение ско­рости, что особенно характерно для спла­вов алюминия.

На рис. 7.51 в качестве примера пока­зано увеличение скоростей поверхностных и объемных волн в закаленных сплавах алюминия при их старении. При нем про­исходит выделение частиц с иной кри­сталлической структурой (фаз) и переход кристаллической решетки твердого рас­твора в более равновесное (упорядочен­ное) состояние. Такие же изменения на­блюдаются при отпуске закаленной стали. Создание неоднородных структур при выпадении крупных карбидных частиц в сталях, мартенситное превращение при закалке, появление участков эвтектики при пережоге алюминиевых сплавов, на­копление дислокаций кристаллической решетки и повреждений в форме микро­трещин (при усталостных испытаниях) вызывает снижение скорости УЗ в мате­риалах. Легирование металлов вызывает как увеличение, так и уменьшение скоро­сти звука в зависимости от фазовых, в том числе аллотропических превращений (рис. 7.52).

По данным А. В. Шарко прочностные свойства хорошо коррелируют со скоро­стью УЗ в сталях со средним и высоким содержанием углерода и алюминиевых сплавах, в которых структурные превра­щения сопровождаются образованием но­вых фаз.

Предложен [21] контроль качества термообработки алюминиевого сплава АК4-1 по электропроводности (вихревыми токами) и по скорости волн Рэлея. Первым методом отбирались детали, закаленные при температуре, превышающей 530°, а вторым - отбраковывались детали, зака­ленные при температуре, превышающей 540°.

Рис. 7.52. Зависимость скорости распространения продольной волны v, в алюминиевых сплавах и относительного изменения скорости Av/v, от содержания легирующих добавок х в массовых процентах

Исследование дефектов кристал­лической решетки. По исследованиям Л. Г. Меркулова [231], дефекты кристалли­ческой решетки - одна из основных причин затухания ультразвука в монокристаллах.

В работе Р. В Коваленка и В. В Шлях - турова по затуханию УЗ в монокристаллах КС1 показано, что рассеяние определяется наличием пор и включений другой фазы. Сопоставление теоретических оценок с экспериментальными данными на часто­тах 10 ... 50 МГц показало, что включения размером 1 мкм не вызывают существен­ного увеличения затухания. Гораздо большую роль играют более крупные цен­тры рассеяния даже при их малочисленно­сти.

Контроль фазовых превращений.

Г. А. Буденковым и А. Ф. Максимовым об­наружено явление резкого повышения эф­фективности ЭМА-преобразования при фазовых превращениях в сталях. Напри­мер, в точке Кюри происходит повышение амплитуды возбуждаемых ЭМА-способом продольных волн приблизительно в 6 раз, а в точке превращения a-железа в у - железо повышение амплитуды достигало

ОСз, град Рис. 7.53. Зависимость степени холодной деформации (CXD) вдоль (а) и поперек (б) направления прокатки от угла падения а3, при котором возбуждается рэлеевская волна

9 раз по сравнению с комнатной темпера­турой. Механизм обнаруженного явления связан с резким увеличением магнитост - рикционного эффекта в электромагнито­акустическом преобразовании [151].

Явление резкого увеличения эффек­тивности ЭМА-преобразования открывает возможность контролировать полноту фа­зовых превращений в сталях и других ферромагнитных материалах. Оно нашло применение в автоматических установках для измерения толщины стенок труб с ЭМА-преобразователями. Автоматическая система поддерживает температуру, соот­ветствующую точке Кюри для стали. Маг­нитный датчик определяет условия резко­го изменения магнитной проницаемости и управляет механизмом подачи воздушного охлаждения.

На свойства сталей с высоким содер­жанием хрома, получаемых в результате закалки, влияет содержание остаточного аустенита, т. е. не распавшегося твердого раствора углерода в гамма железе. Ско­рость звука линейно уменьшается с уве­личением остаточного аустенита.

Контроль степени холодной де­формации. Как отмечалось ранее, иска­жения кристаллической решетки вызыва­ют снижение скорости. Одной из причин искажения является холодная деформация.

В [425, с. 332/688] сообщается, что увеличение деформации (обжатия листа) при прокатке аустенитной стали приводит к уменьшению скорости головной волны. Скорость измерялась методом прохожде­ния при изменении расстояния между из­лучателем и приемником (чтобы исклю­чить неопределенность точки ввода). Уве­личение деформации на 50 % уменьшало скорость на 5,5 %.

Для уменьшения деформации в усло­виях эксплуатации труб-оболочек тепло­выделяющих элементов (ТВЭЛ) атомных электростанции (АЭС) под влиянием ра­диации трубы подвергают предваритель­ной холодной деформации (порядка 20 %) без последующей механической обработ­ки. В работе [96] рассмотрены перспек­тивные методы неразрушающего контроля степени холодной деформации. Наиболее эффективным признан метод контроля динамической твердости, т. е. определение скорости отскока бойка динамического твердомера (см. разд. 7.6). Однако этот метод оставляет на поверхности отпечаток глубиной около 0,2 мм, таким образом, он, строго говоря, не является полностью не­разрушающим. Поэтому исследовались также другие методы.

Измерение скоростей распростране­ния продольных волн (выполнялось на частоте 2,5 МГц путем сравнения со ско­ростью волн в воде с погрешностью не более 0,2 %) показало их слабую зависи­мость от степени холодной деформации.

Высокую чувствительность к степени холодной деформации обнаружила ско­рость распространения поверхностной рэлеевской волны. Изменение этой скоро­сти определялось двумя способами: по изменению времени распространения им­пульса этих волн и по изменению угла падения, при котором возбуждается эта волна при иммерсионном контроле (рис. 7.53). Полученные результаты до­вольно хорошо совпадают между собой.

Исследования проводились не на трубах, а на пластинах толщиной 2 мм из аналогичного материала (аустенитная сталь).

сталь). При переходе на трубы с толщиной стенки 0,4 мм возникает необходимость дополнительных исследований по измене­нию скорости распространения волн Лэм­ба, поскольку при малой толщине стенок труб волны Рэлея переходят в лэмбовские. Установлено также, что увеличение пре­дела прочности ав на 30 %, предела теку­чести ао,2 в 3,2 раза и уменьшение относи­тельного удлинения 5 в 5 раз увеличивает время распространения волн Рэлея на 3,5 мкс на базе 20 мм.