CC BY
14
НАГЛЯДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: amosov-ea@ramblerl.ru) Амосова Антонина Александровна, к.б.н., доцент (e-mail: amosovaantonina@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной статье предложены простые модели, наглядно отражающие некоторые характерные закономерности взаимодействия ультразвука с материалом и техники проведения опытов при проведении ультразвукового контроля.
Ключевые слова: акустический контроль, наглядное моделирование, методы контроля
Одним из известных и распространённых способов поиска дефектов в металлической детали является применение акустических волн звукового и ультразвукового диапазона (так называемый акустический контроль или УЗК) [4,5]. С помощью ультразвука также может быть измерена толщина некоторых объектов плоской или симметричной формы, таких как листы и стенки труб. При указанном виде контроля в изделие вводится волна ультразвукового диапазона, которая отражается от границ изделия или дефектов, что позволяет нам измерить толщину или определить наличие дефектов типа трещин и расслоений.
□
□
Рисунок 1 - Модель акустического определения толщины
На рисунке 1 изображена модель, отображающая закономерности определения толщины металлической детали с помощью ультразвуковой волны.
Модель состоит в следующем. За непрозрачной ширмой имеются две упругие полки разной высоты, которые мы не можем видеть из-за наличия ширмы. Требуется определить, какая полка ниже, наблюдая за отскоком очень упругого шарика от каждой из полок (считается, что сопротивление воздуха пренебрежимо мало).
Очевидно, что отпуская шарики с одинаковой высоты с нулевой начальной скоростью, мы можем сравнивать времена их возвращения после упругого отскока шариков от полок (чем выше полка, тем быстрее вернётся шарик после упругого удара о полку).
Таким образом, по косвенным признакам (времени падения шарика) мы можем сравнивать геометрические размеры системы (определять высоту полок). Аналогичным образом, при акустической толщинометрии образцов мы по косвенным признакам (сравнивая время прохождения ультразвука по образцу известной толщины и неизвестной толщины) можем определять геометрические размеры образца, а именно его толщину.
Рассмотрим другую наглядную модель, отражающую возможность прохождения ультразвука в образец при проведении УЗ контроля (рисунок 2).
Рисунок 2 - Модель прохождения ультразвука в образец
Зрительно представим себе, что есть некоторый бак с жидкостью достаточно большой плотности (например, водой) и два шара, плотность которых заметно меньше, чем плотность жидкости (рисунок 2). Пусть один шар будет из пробкового дерева, а другой будет наполнен лёгким газом. Очевидно, что шар из дерева погрузится в жидкость на некоторую малую глубину, а наполненный газом шар практически не будет контактировать с жидкостью.
Теперь представим себе, что в жидкости мы создаём некоторые волны. Тогда эти волны будут соударяться со стенками пробкового шара и частично могут пойти внутрь него. Прохождение волн из жидкости в шар, наполненный газом, практически маловероятно.
Определим, насколько эта картина похожа на процесс проникновения акустических колебаний в объект контроля при проведении УЗК.
Как известно, при акустическом контроле ультразвуковые колебания плохо передаются от источника (например, пьезо элемента) в контролируемую деталь из-за наличия воздушных зазоров между поверхностями элемента и детали. Для улучшения прохождения ультразвука деталь необходимо смазывать жидкой смазкой.
Дело тут в существенной разности плотностей материала пьезо элемента и воздуха (плотности отличаются в тысячи раз, что и обуславливает практически полное отражение ультразвука от границы элемента и воздушного зазора). При нанесении смазки разница в плотности снижается до, примерно, десяти раз, поэтому часть ультразвука всё-таки проходит в деталь, что и даёт нам возможность проводить ультразвуковой контроль деталей и измерение их толщины.
Похожим образом в нашей модели взаимодействие шара и жидкости зависит от плотности материала, заполняющего шар. Следовательно, наша
модель наглядно отражает процесс взаимодействия пьезо элемента и материала детали при прохождении ультразвука в деталь.
Рассмотрим наглядную модель протекания ультразвука через деталь при проведении, например, теневого акустического контроля.
ширма
Представим себе, что за непрозрачной ширмой имеется два стакана с отверстиями разного диаметра в дне стаканов. Мы можем видеть, сколько воды вытекает из стакана, но не можем видеть сами отверстия (рисунок 3)..
Косвенным образом мы можем определить, в каком стакане отверстие больше. Для этого следует налить в стаканы одинаковое количество жидкости и сравнить время вытекания жидкостей из стаканов (откуда быстрее вытечет - там и больше отверстие).
Рассмотрим для сравнения схему теневого метода ультразвукового контроля (рисунок 4).
Рисунок 4 - Схема теневого способа УЗК
В этом способе контроля, как известно, ультразвук протекает через деталь, и, сравнивая количество ультразвука, прошедшее через деталь с дефектом (например, трещиной, как на рисунке 4) и без дефекта, контролёр делает вывод о годности или негодности данной детали.
Таким образом, представленная на рисунке 3 модель со стаканами с отверстиями своеобразно отражает основную идею теневого способа ультразвукового контроля.
Можно провести аналогию между работой сортировщика монет и ультразвуковым контролем.
На рисунке 5 представлена схема работы сортировщика монет [21].
Монета, скатываясь с горки, ударяется о некоторое препятствие на своём пути и, в зависимости от своей кинетической энергии и высоты барьера, может перескочить это препятствие или провалиться в отверстие перед препятствием. Так и будет произведено разделение некоторых видов монет или их сортировка.
Таким образом, в зависимости от некоторых условий, монета может отразиться от препятствия и провалиться вниз или преодолеть препятствие и продолжить движение в том же направлении.
Посмотрим, как эта модель похожа на процесс распространения ультразвука в детали, а именно, на взаимодействие ультразвука с дефектами в металлическом материале.
Из литературы известно [17], что ультразвук может отразиться от дефекта (от трещины, расслоения) или притормозить на дефекте (например, на дислокации) и продолжить движение в том же направлении. Таким образом, ультразвук может двояким образом взаимодействовать с дефектом в металлическом материале аналогично тому, как монета может двояким образом взаимодействовать с препятствием на своём пути. Следовательно, изображенная на рисунке 5 модель своеобразно отражает закономерности взаимодействия ультразвуковой волны с различными видами дефектов в металлических материалах.
Приведённые выше модели, по мнению автора, служат весьма полезной иллюстрацией основных идей и закономерностей проведения УЗК металлических материалов. Они могут быть использованы как в учебном процессе, так и при самостоятельном изучении основ неразрушающего контроля (или контроля годности металлических материалов по косвенным призакам).
Список литературы
1. Амосов Е.А. Простые модели некоторых процессов. LAP, 2012.
2.Амосов Е.А. Наглядное моделирование при исследовании. Самара: СамГТУ, 2014.
3.Ермолов И.Н. Расчеты в ультразвуковой дефектоскопии. М.: Эхо +, 2004.
4.Клюев В. В. Неразрушающий контроль. Т.З Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004.
5.Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение,
Рисунок 5 - Схема работы сортировщика монет
1981.
б.Ермолов И.Н., Ермолов М.И. Ультразвуковой контроль. М.: 2003.
7.Неразрушающий контроль и диагностика / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2003.
8. Лукьянов В. А. Ультразвуковая толщинометрия и дефектоскопия. М.: РГУ нефти и газа, 2002.
9.Каневский И.Н., Сальникова Е.Н. Неразрушающие методы контроля. ДВГТУ, 2007.
10.Nondestructive testing and diagnostics / Editor V.V.Klyuev. RSNTD and metric instrument Co., 2004.
11.Mark Brook V. Ultrasonic inspection. Technology development and search unit design. Examples of practical application. 2012.
12.Методы неразрушающего контроля / Н.В. Кашубский и др. ИПК СФУ, 2009.
13. Балдев Р., Раджендран В., Паланичами И. Мир физики и техники. Применения ультразвука. М., Техносфера, 2006.
14. Olympus NDT. Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications. USA, Waltham, 2007.
15.Ультразвуковой контроль. Приборы, нормативные документы / Составитель В.А.Троицкий. Киев, 2006.
16. Ланге Ю.В., Воронков В.А.Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения. Справочник. Москва, 2003.
17.Муравьев В.В. и др. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск, Наука, 1996.
18.Крауткремер И., Г.Крауткремер. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. М.: Металлургия, 1991.
19. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий. М,: Высшая школа. 1991.
20.Щербинский В.Г. Методы дефектоскопии сварных соединений. М.: Машиностроение, 1987.
21. How Things Work. Encyclopedia. DK Publishing . 2010.
Amosov Evgeniy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: amosov-ea@ramblerl.ru)
Amosova Antonina Aleksandrovna, Cand.Bio.Sci., associate professor
(e-mail: amosovaantonina@yandex.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
VISUAL MODELING OF METALLIC MATERIAL ACOUSTIC CONTROL Abstract. This article describes simple models that clearly reflect some characteristic patterns of interaction of ultrasound with the material and techniques of experiments during ultrasonic testing.
Keywords: ultrasonic testing, visual modeling, method of control
