WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Курков Александр Валентинович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ДЕФЕКТОСКОПОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ Специальность: 01.04.06 – Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена на кафедре Электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета СПбГЭТУ (ЛЭТИ).

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Аббакумов Константин Евгеньевич.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Цаплев Валерий Михайлович кандидат технических наук, Селезнев Игорь Александрович Ведущая организация – ОАО «Радиоавионика», (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «_24_» февраля 2010 года в _14_ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «» января 2010 года

Ученый секретарь совета к.т.н., доцент Боронахин А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Действующий в настоящее время ГОСТ 5639-82 «Сталь. Методы выявления и определения величины зерна» разрешает измерять средний размер зерна ультразвуковым методом. Однако существующий относительный метод измерения среднего размера зерна, описанный в предыдущем варианте ГОСТ 5639, требует предварительной настройки по образцам, материал и размеры которых должны совпадать с материалом и размерами исследуемого объекта, а средний размер зерна известен. Это позволяет использовать относительный метод измерения среднего размера зерна только при очень большом количестве одинаковых изделий, подлежащих контролю зернистости, то есть в составе установок, работающих в потоке.

Основным методом определения величины зерна, применяемым в заводских лабораториях, было и остается металлографическое исследование структуры металла при визуальных оценках с помощью микроскопа. Недостатки металлографического исследования известны – его высокая стоимость, большие временные затраты, измерение размера зерна только на поверхности образца, а также то, что образец в процессе исследования разрушается.

В целом, актуальность темы настоящей диссертационной работы заключается в решении комплекса вопросов по разработке метода и оборудования для безэталонного метода измерения среднего размера зерна металла для экспресс-оценок, как составной части научной и прикладной проблемы повышения метрологических характеристик и информативности в системах технического контроля и управления качеством. Внедрение такого оборудования в заводских и лабораторных условиях позволит существенно снизить материальные и временные затраты, а также получать дополнительную информацию о внутренней структуре исследуемого образца, создавая предпосылки для осуществления экспресс-анализа физико-механических свойств материалов при ручных и автоматизированных операциях.

Предметом исследования в настоящей диссертационной работе являются физические процессы рассеяния ультразвуковых волн в материалах с кристаллической структурой.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются материалы металлургического производства с кристаллической структурой.

Цель диссертационной работы Целью диссертационной работы является физическое обоснование, разработка и экспериментальная проверка безэталонного метода измерения среднего размера зерна металла с помощью ультразвуковых колебаний, а также создание образцов оборудования для реализации этого метода.

Разработанный алгоритм измерения среднего размера зерна рассчитан на внедрение его в состав программного обеспечения современных ультразвуковых дефектоскопов.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработка метода определения среднего размера зерен металлов на основе измерения и сравнения на кратных частотах степени ослабления упругих колебаний в мегагерцовом диапазоне частот.

2. Разработка электроакустического тракта измерительного стенда для определения относительного ослабления упругих колебаний в металлах в диапазоне ультразвуковых частот.

3. Экспериментальная оценка и сопоставление результатов измерения среднего размера зерен ультразвуковым методом с данными металлографического и других видов анализа.

4. Разработка рекомендаций по проектированию комплекса аппаратно-программных средств и создание опытных образцов структуромеров, предназначенных для мелкосерийного производства на базе ультразвукового дефектоскопа общего назначения.

Основные методы исследования.

Результаты исследования базируются на основных положениях теории вероятностей, теории математической статистики, теории физики твердого тела, теории упругих колебаний волн, теории дифракции и измерений.

Научная новизна диссертационной работы Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. предложено измерять средний размер зерна материала с помощью ультразвуковых колебаний в контактном варианте без применения специальных образцов для настройки при условии выбора специальной системы параметров измерений;

2. предложены рекомендации по выбору последовательности частот ультразвуковых колебаний, при которых целесообразно измерять средний размер зерна в образцах из различных сталей;

3. показано, что измерение среднего размера зерна с помощью ультразвуковых колебаний мегагерцового диапазона в контактном варианте в металлических изделиях без применения специальных образцов является реализуемым и эффективным методом структуроскопии, реализуемым на базе универсальной модернизированной дефектоскопической аппаратуры для целей экспресс-анализа;

4. разработан алгоритм, определяющий основу и принципы работы комплекса программно-аппаратных средств для реализации безэталонного метода измерения среднего размера зерна металла с помощью измерения амплитуд различных донных сигналов на различных частотах ультразвуковых колебаний.

Практическая ценность работы Практическая ценность диссертационной работы в целом заключается в том, что в ходе ее выполнения разработаны программно-аппаратные средства обеспечивающие возможность экспресс-анализа среднего размера зерна металлов, что создает предпосылки для снижения материальных и временных затрат на операции технического контроля в производственных и лабораторных условиях. В состав средств входят следующие объекты:

1. Метод и алгоритм реализации ультразвукового безэталонного метода измерения зерна металла. Величина максимальной погрешности измерений среднего размера зерна безэталонным методом составляет не более 1-2 баллов по шкале ГОСТ 5639-82.

2. Измерительная акустическая система на основе пьезоэлектрических преобразователей для измерения среднего размера зерна материала в различных сталях на кратных частотах.

3.Программное обеспечение, поддерживающее работу универсального дефектоскопа в режиме «Структуроскоп» Создан макет опытного образца подобного устройства.

Разработанные алгоритмы и устройства могут быть использованы и при создании автоматизированных систем контроля, реализующих иммерсионный и бесконтактный способы ввода ультразвука в контролируемые изделия.

Достоверность полученных результатов Достоверность полученных в диссертации результатов доказана на основании подтверждения сходимости теоретических положений с результатами проведенных экспериментов на базе представительной выборки образцов.

Реализация результатов диссертационной работы Результаты диссертационной работы использованы при разработке новой версии ультразвукового дефектоскопа "Пеленг" УД3-204 производства Научно-промышленной группы "Алтек". Новая версия дефектоскопа отличается от старой версии наличием специального режима "СТРУКТУРОСКОП" и дополнительным комплектом измерительных преобразователей. Техническое задание на специальный пьезоэлектрический преобразователь, необходимый для измерения среднего размера зерна безэталонным методом, согласовано с фирмой "Константа-УЗ".

Научные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. При разработке безэталонных ультразвуковых методов оценки среднего размера зерен металлов с поликристаллическим строением в качестве источника измерительной информации могут служить данные относительных измерений степени ослабления упругих волн в образцах металлов в ультразвуковом диапазоне частот.

2. При определении количественных данных среднего размера зерна на основании ультразвуковых измерений безэталонным методом частные оценки должны проводиться на кратных гармониках в ультразвуковом диапазоне частот.

3. При разработке ультразвуковых структуроскопов в качестве базового варианта допустимо использование дефектоскопа общего назначения при работе в ультразвуковом диапазоне частот с использованием специальной акустической системы, допускающей работу на кратных гармониках в режиме возбуждения и приема.

4. Экспериментально доказано необходимое для практики соответствие измерительных и расчетных данных среднего размера зерна материала в мегагерцовом диапазоне частот, что позволяет считать безэталонный метод ультразвуковых измерений на кратных гармониках эффективным средством при проведении анализа структуры металла.

Апробация Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

– II Международная научно-техническая конференция "Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов" (республика Беларусь, Могилёв, 2006 г.);

– XIX Петербургская конференция "Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций УЗДМ–2007" (Санкт-Петербург, 2007 г.);

– Международная научно-техническая конференция "Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов" (республика Беларусь, Могилёв, 2004 г.);

– XIII ежегодная международная конференция "Современная методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики" (Украина, Ялта, 2005 г.);

– VI Всероссийская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль качества и диагностика материалов, конструкций, промышленных изделий и окружающей среды" (СанктПетербург, 2005 г.).

Публикации По результатам исследований, проведенных в рамках темы диссертационной работы опубликовано 15 научных работ: 9 статей (из них 3 – в изданиях, рекомендуемых ВАК) и 5 тезисов докладов, получен патент РФ.

Личный вклад автора Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно. Часть опубликованных работ, относящихся к 1, 2 и 3 главам диссертационной работы, написана в соавторстве с д.т.н., проф. С.К. Павросом.

Большинство опубликованных работ, относящихся к 4 главе, написаны в соавторстве с членами коллектива ЗАО "Алтек".

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Содержание диссертации изложено на 151 странице и включает 41 рисунок, 15 таблиц и наименования отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована проблема, обоснована её актуальность, определены цели работы и задачи исследований.

Сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна. Приведены сведения об апробации и внедрении, кратко изложено содержание диссертационной работы.

В первом разделе рассмотрены теории строения поликристаллических тел (металлов) и затухания ультразвуковых колебаний в них. Установлено, что для создания метода безэталонного измерения среднего размера зерна металла существующей теории строения металлов и затухания ультразвуковых волн в них достаточно.

Обоснована необходимость проведения экспериментального исследования для установления факта возможности применения соотношения для затухания ультразвуковых волн (определенного Л. Г. Меркуловым для чистых металлов) к образцам, выполненным из сплавов металлов (сталей).

Там же проведен обзор существующих методов определения структурных характеристик металлов с помощью ультразвуковых колебаний. Рассмотрены:

• относительный метод структурного анализа металлов, изобретенный в пятидесятых годах прошлого века Н.В.Химченко (НИИХИММАШ);

• метод контроля механических свойств чугунов с помощью измерения скорости звука, впервые описанный Н.В.Химченко.

Оба метода сравнивались по различным параметрам с металлографическим исследованием структуры металла.

Показано, что основным недостатком существующих методов структуроскопии металлов с помощью ультразвуковых волн является необходимость использования специальных эталонных образцов, что затрудняет использование этих методов в заводских лабораториях.

Результаты анализа, проведенного в первом разделе позволили определить направление исследований и сформулировать задачи, решение которых обусловило достижение цели данной диссертационной работы.

В качестве рабочей модели рассеяния ультразвука в поликристаллических телах избрана модель, основанная на теории Л.Г.Меркулова, на основании которой осуществлялся предварительный отбор образцов по величинам зерен, выбор частотного диапазона и ряда других параметров измерительной аппаратуры. Так, например, общее затухание для чистого железа с содержанием углерода менее 0,02% определяется в этом случае формулой :

= Af + B f 4 (1) где f – частота ультразвуковых колебаний, Гц; А, В – постоянные.

Для постоянной В в выражении (1) известна теоретическая оценка по формуле:

3 2 8 D f 2 = + (2) P l 375 cl3 cl5 ct где: - коэффициент Пуассона; - плотность, кг/м3; сl - скорость продольных волн, м/с; сt - скорость поперечных волн, м/с; f - частота ультразвука, Гц; D - средний размер зерна, м.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»