CC BY
53
УДК 621.386.12 +539.16.04
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В НАВОДОРОЖЕННЫХ МЕТАЛЛАХ
Г.В. Гаранин, В.В. Ларионов, А.М. Лидер
Томский политехнический университет E-mail:garanin_gv@tpu.ra
Описана лабораторная установка и приведены ее технические параметры. Показано, что схема измерений с высокой степенью точности позволяет определять содержание водорода в металлах на основе легких сплавов. Даны конкретные рекомендации по использованию разработанного устройства
Ключевые слова:
Ультразвуковые волны, легкие сплавы, наводорожива-ние металлов.
Введение
Развитие космической техники, атомной энергетики, ракето- и самолетостроения, газотурбинных двигателей требует создания устройств для контроля за содержанием водорода в изделиях из легких сплавов на основе титана для увеличения ресурсов их эксплуатации, исключения и прогнозирования причин водородной деградации изделий из титана, являющегося основой многочисленных деталей в перечисленных отраслях промышленности. Одним из распространенных методов контроля водородного воздействия на металлы легких сплавов являются методы прямого воздействия на материал [1, 2]. Материал растягивают на испытательной машине, определяют предельную прочность и относительное удлинение до разрыва детали. Водородное охрупчивание металлов определяют на основе измерения микротвердости, термо-эдс, вихревых токов высокой частоты [3]. Содержание водорода определяют измерением скорости распространения ультразвуковых волн [4].
Физической основой контроля является зависимость скорости распространения акустических волн от физических свойств металлов, в частности от степени наводороженности металла. Наиболее эффективным методом измерения скорости распространения ультразвуковой (рэ-леевской) волны в образцах является метод автоциркуляции. Применение рэлеевских волн в металлах обусловлено особенностями данных волн: 1) возможностью «вывести» акустический сигнал из любой точки поверхности образца, по которому распространяется волна, 2) относительно большой концентрацией энергии в волне вследствие малости слоя локализации волны.
Экспериментальная часть
Для исследования использовали образцы из титанаВТ1 -0 вдоль различных направлений проката исходного листа в виде прямоугольных листов с размером рабочей части 90*40 мм. Исходные образцы подвергали отжигу в вакууме в течение одного часа при температуре 750 °С с последующим охлаждением в печи. Образцы титана ВТ1-0 насыщали водородом на установке PCI«GasReactionController» по методу Сивертса. Интегральное содержание водорода в образ-
Гаранин Георгий Викторович, зав. лаб. кафедры общей физики Физико-технического института ТПУ.
E-mail: garanin_gv@tpu.ru Область научных интересов: физико-химические и радиационные проблемы материаловедения.
Ларионов Виталий Васильевич, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры общей физики Физико-технического института ТПУ.
E-mail: lvv@tpu.ru Область научных интересов: экспериментальные исследования поведения водорода в металлах.
Лидер Андрей Маркович,
канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры общей физики Физикотехнического института ТПУ. E-mail: lider@tpu.ru Область научных интересов: физико-химические и радиационные проблемы материаловедения.
цах титана контролируют плавлением на установке фирмы RHEN 602 LECO. Лабораторная установка для измерения скорости ультразвуковых (УЗ) волн приведена на рис. 1. Установка включает электронно-счетный частотомер Ч3-85/3, генератор импульсов Tabor 8500, цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS 2024В, пьезопреобразователи с резонансной частотой 5 МГц. Измерения осуществляются следующим образом: генератор формирует импульс, который через излучатель создает в образце рэлеевскую волну. Импульс возбуждения распространяется по образцу и регистрируется приемником. Контроль параметров импульса обеспечивается с помощью цифрового осциллографа. Далее импульс усиливается широкополосным усилителем, компаратор по заданному порогу формирует логический сигнал, который запускает одновибратор для формирования синхронизирующего импульса заданной длительности. Импульс с выхода одновибратора подается на измерительный вход частотомера и на синхронизирующий вход генератора, замыкая тем самым петлю обратной связи генератора. Используемая система расположения датчиков акустического стенда позволяет измерять частоту автоциркуляции в зависимости от расстояния между датчиками и их положения по длине образца. Для автоматизации системы измерения и сбора данных используется программное обеспечение, разработанное в инженерной среде LabView.
1д
Рис. 1. Схема лабораторного устройства для измерения скорости распространения ультразвуковых волн в металле:^ - базовое расстояние между излучателем и приемником; И - излучатель; П - приемник; У - широкополосный усилитель; К - компаратор; О - одновибратор; Ч -частотомер; БС - блок синхронизации; БЗ - блок задержки; ГИ - импульсный генератор; ЦЗО -цифровой запоминающий осциллограф
Для определения скорости распространения УЗ (рэлеевской) волны в металле необходимо измерить частоту автоциркуляции. Частота автоциркуляции зависит от времени распространения сигнала по образцу титана и по цепям обратной связи и равна:
/.ц =------- ---------------------------------------------------> (!)
^ЗАД + IАП + ^ОБР
где 1ЗАд - время задержки возбуждающего импульса относительно запускающего импульса; 1АП - время задержки сигнала, определяющееся используемой аппаратурой; 1ОБР - время распространения волны в образце. Скорость распространения ультразвуковой волны в образце титана:
V = , (2)
ОБР
где 1д - базовое расстояние между излучателем и приемником датчика. Из уравнений (1) и (2) получают формулу для определения скорости ультразвука:
1Д__________________________1Д fц
1 ~(*ЗАД + tАП ) 1 ~^ЗАД + 1аП )' /ц
VR _ ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------4/ ^ ^ . (3)
!ц
Точность измерения скорости Ук можно увеличить путем изменения базового расстояния 1д . В этом случае выражение (3) для ¥к принимает вид
V = 1д-1 ~ 1д-2 (4)
^ 1 1 • ^
УЦ_1 /ц_2
В выражении (4) измеряемыми параметрами являются базовые длины датчика и соответствующая им частота автоциркуляции. Точность измерения VR зависит от точности изменения базы 1д1 . При этом величина определяется из уравнения линейной регрессии от 1//Ц; 1д
(рис. 2). Значение коэффициента R2 = 1 свидетельствует о высокой методической и аппаратурной точности схемы акустических измерений для определения скорости распространения ультразвуковой (рэлеевской) волны.
я
■X
8
7
Н
Я
«
5
=
о
з
я
а
а
=
Величина, обратная частоте автоциркуляции Ш, 1/кГц
Рис. 2. Связь между обратной частотой автоциркуляции и изменением расстояния между датчиками измерительной установки
В качестве основных применяли датчики с резонансной частотой 5 МГц. Начальное расстояние между датчиками выбрано равным 1д - 20 мм. Измерение частоты автоциркуляции осуществляли с шагом 5...10 мм по длине рабочей части образца не менее чем в 12 точках. Схематично области 1-3 измерения представлены на рис. 3. Для увеличения точности измерения необходимо проводить в 5 точках при каждом из положений датчиков при исходном базовом расстоянии между датчиками и с приращением расстояния между датчиками на 2, 4, 6 и 8 мм. График зависимости скорости рэлеевской волны от концентрации водорода в образце показан на рис. 4. С увеличением концентрации водорода в испытуемом образце в диапазоне концентраций от 0 до 0,21 массовых процента скорость рэлеевской волны линейно возрастает. Наводороживание титанового сплава ВТ1 -0 в данном интервале концентраций приводит к росту внутренних напряжений, к росту модуля упругости (соответственно увеличению скорости распространения УЗ волн). Уменьшение скорости рэлеевской волны в диапазоне концентраций водорода в образце от 0,21 до 0,60 массовых % объясняется образованием множественных дефектов и значительным ухудшением прочностных характеристик материала.
1 2 3
Рис. 3. Пример образца из титана. 1, 2, 3 - области, в которых проводят измерения скорости распространения ультразвуковой волны.
О
О
£ Концентрация водорода, % масс
Рис. 4. Зависимость скорости ультразвуковой волны от концентрации водорода в образце титана
Для сравнения полученных выводов акустическим методом и методом нагружения (удлинения) образцов на рис. 5 приведены соответствующие зависимости от концентрации водорода. Наблюдается однозначная корреляция между началом значительного увеличения скорости ультразвуковой (рэлеевской) волны в образце и потерей пластичности в нем. На рис. 6 приведено изменение скорости УЗ волн от концентрации водорода в титане. Обнаруженная зависимость имеет ярко выраженный максимум и состоит из двух ветвей. Восходящая ветвь имеет вид, характерный для различных марок наводороженных сталей, нисходящая аналогична наводороженному палладию. Это может свидетельствовать об уникальных свойствах наво-дороженных легких сплавов на основе титана.
£
х
I
ш
л
и
_й
О
X
К о н це нт р а ц и я в о д о р о да, % м а сс
Рис. 5. Скорость распространения ультразвуковой волны в наводороженном титане и относительное удлинение образца от концентрации водорода в титане
30 -| м/с
15-|
5
■ ■
о-| ■ масс, %
-5 н---1---------,-1---,-1--,----1-------,-1-,----1—-------г
о.оо ао5 (но а15 аго а?5 азо
Рис. 6. Зависимость изменения скорости ультразвуковой волны от содержания водорода в титане
Во всех экспериментах наблюдается четкая корреляция между относительным изменением скорости рэлеевской волны по длине образца и содержанием водорода. Чем больше концентрация водорода в титане ВТ1-0, тем больше отклонение точек графика функции, отражающего зависимость между относительным значением скорости рэлеевской волны и положением датчика в наводороженных образцах. Выявлено, что после наводороживания по методу Си-верста относительное распределение скорости рэлеевской волны по длине образцов является неравномерным. На неравномерность пространственного распределения упругих свойств оказывает влияние неоднородность насыщения образцов с размерами рабочей части 90*8 мм из-за существующего температурного градиента по длине камеры, в которой происходит насыщение сплава ВТ1 -0 водородом.
Заключение
Разработана лабораторная установка, позволяющая проводить измерения содержания водорода в легких сплавах по скорости распространения УЗ-волн. Эффективность измерений зависит от выбора частоты автоциркуляции, базового расстояния между приемником и излучателем и контролируется посредством корреляции между скоростью ультразвуковых волн и величиной обратной частоте автоциркуляции. Эта связь должна быть линейной. Устройство может быть применено для анализа содержания водорода в легких сплавах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коттерилл П.В. Водородная хрупкость металлов. - М.: Металлургиздат, 1963. - 245 с.
2. Ткачев В.И., Витвицкий В.И., Холодный В.И. Сравнительная оценка водородостойкости сталей и сплавов // Материаловедение. - 2006. - № 1. - С. 54-56.
3. Чернов И.П., Черданцев Ю.П., Мамонтов А.П., Панин А.В., Никитенков Н.Н., Лидер А.М., Гаранин Г.В. и др. Неразрушающие методы контроля водородного охрупчивания конструкционных материалов // Альтернативная энергетика и экология. - 2009. - № 2. - С. 15-22.
4. Yang C.-H., Huang M.-F. Characterization of hydrogen concentration in Zircaloy claddings using a low-frequency acoustic microscope with a PVDF/LFB transducer // J. Nucl. Mater. - 2004. - V. 335. -№ 3. - P. 359-365.
Поступила 10.05.2012 г.
