DD258291A1

DD258291A1 - Zerstoerungsfreies pruefverfahren fuer heterogene werkstoffe

Info

Publication number: DD258291A1
Application number: DD30034487A
Authority: DD
Inventors: Thomas Schwarz; Dieter Schneider
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1988-07-13
Also published as: DD258291B3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pruefverfahren, das insbesondere oberflaechennahe Werkstoffbereiche charakterisiert. Das Verfahren ist zur Qualitaetskontrolle von aufgebrachten Schichten auf Werkstoffe geeignet. Es wird die Phasengeschwindigkeit von Ultraschallwellen ermitelt, indem die Signalverlaeufe, die im Schallempfaenger durch die Schallimpulse angeregt werden, ausser, wie schon bekannt, am Anfang X0 und am Ende Xmax einer vorgegebenen Messstrecke, erfindungsgemaess bei n weiteren, durch Formel 1 und 2 definierten Messpositionen einzeln aufgezeichnet, die dazugehoerigen Phasenspektren einzeln ermittelt, Gruppenlaufzeiten bestimmt, nach Formel 3 und 4 eine Phasenkorrektur durchgefuehrt, die es ermoeglicht, nach Formel 5 die Phasengeschwindigkeit zu bestimmen. Aus der Phasengeschwindigkeit sind Werkstoffkenngroessen mathematisch oder durch graphische Darstellung und Aufstellung von Eichkurven zu erhalten.

Description

Hierzu 1 Seite Formeln

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Physik und betrifft ein Prüfverfahren zur störungsfreien Qualitätskontrolle, insbesondere für oberflächennahe Werkstoffbereiche.

Bei Anwendung von Ultraschall-Oberflächenwellen ermöglicht das Verfahren die Bestimmung solcher Parameter wie

Schichtdicke von aufgebrachten Oberflächenschichten

Eintringtiefe von Gefügeveränderungen

Ε-Modul dünner Schichten

Gradient der elastischen Eigenschaften von aufgebrachten Schichten.

Bei Anwendung von Platten- bzw. Stabwellen in Blechen bzw. Drähten eignet sich auch zur Untersuchung von Verformungstexturen, die sich in einer Anisotropie der mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Werkstoffs auswirken und zur Bestimmung der Platten- bzw. Drahtdicke. Die Erfindung ist bei allen Werkstoffen anwendbar, die heterogene Oberflächenbereiche z.B. durch Beschichten, Einlegieren, Einschmelzen, Eindiffundieren usw. besitzen und damit eine Dispersion der Schallausbreitung hervorrufen, d.h. eine Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit von der Wellenlänge und der Frequenz. Sie kann weiterhin im Falle geometrischer Dispersion angewendet werden, d.h. wenn die Ausdehnung des Werkstücks in einer oder zwei Richtungen (Platten oder Stäbe) in der Größenordnung der Schallwellenlänge liegt.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt ist die Möglichkeit der zerstörungsfreien Qualitätskontrolle heterogener Werkstoffe mit dem Impuls-Echo-Verfahren (D.R.Allen und W.H.Cooper, Ultrasonies International 83. Conference Proceedings Halifax, 12.-14.JuIi 1983, Butterworths Sevenoaks, Kent 1983) und mit dem Impuls-Durchschallverfahren (W. Sachse und Y. Pao, J. Appl.Phys. 49 [1978] 4320-27), indem durch die Fouriertransformation des Impulsverlaufs die Phasenlaufzeit von Ultraschallwellen bestimmt wird. Der Impulsverlauf wird am Anfang und am Ende einer Meßstrecke mit der Länge L aufgezeichnet. Für beide Impulse wird getrennt das Phasenspektrum Ip₁ und cp2> mit Hilfe der Fouriertransformation berechnet. Damit kann für jede Frequenzkomponente f, die im Impulsspektrum enthalten ist, die Phasenlaufzeit ί_φ = (φ_Ί - cp₂)²ⁿf bestimmt werden. Die Phasengeschwindigkeit läßt sich nach Cf = L/t φ ermitteln. In heterogenen Werkstoffen ist die Phasengeschwindigkeit frequenzabhängig. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die richtige Phasengeschwindigkeit nur dann ermittelt werden kann, wenn entweder bei niedrigen Frequenzen gearbeitet wird, oder der Hochfrequenzimpuls niederfrequente Anteile besitzt, wobei die Frequenzfunktion des Impulses bis zum Frequenznullpunkt hin keine Nullstellen besitzen darf. Diese Bedingungen sind in den seltensten Fällen zu realisieren, da ein US-Wandler mit diesen Eigenschaften kaum herstellbar ist. Falls die genannten Forderungen nicht realisiert werden können, ist das Verfahren nur anwendbar, wenn die Phasengeschwindigkeit ungefähr bekannt oder die Meßzelle kleiner als die Wellenlänge ist, wobei im zuletzt angeführten Fall jedoch sehr große Meßfehler bei der Bestimmung der Phasengeschwindigkeit auftreten. Dieses Verfahren ist daher nur für Routineuntersuchungen anwendbar, bei denen die Schallausbreitungseigenschaften der zu untersuchenden Probe annähernd bekannt sind und sich nur in geringen Grenzen ändern.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der sicheren, ökonomischen zerstörungsfreien Bestimmung von Werkstoffkenngrößen wie Schichtdicke, Ε-Modul, Gradient der elastischen Eigenschaften in oberflächennahen Werkstoffbereichen oder Verformungstexturen und Dicke von Blechen und Drähten auch bei unbekannter Zusammensetzung der zu untersuchenden Proben.

-2- 258 291 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prüfverfahren anzugeben, bei dem mit handelsüblichen Geräten die Phasengeschwindigkeit von Ultraschallwellen genau und über einen großen Frequenzbereich bestimmt werden kann. Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Signalverlauf, der im Schallempfänger durch die Schallimpulse angeregt wird, außer, wie schon bekannt, am Anfang X₀ und am Ende X_max einer vorgegebenen Meßstrecke noch bei η weiteren, genau definierten und durch die Formeln 1 und 2 ermittelten Meßpositionen Xi bis X_n zwischen X₀ und X_max einzeln aufgezeichnet wird, daraus mit der Fouriertransformation die dazugehörigen Phasenspektren φ₀, φι biscp_n und cp_max ermittelt werden, die Gruppenlaufzeiten t_gr - tg_r, tg_r - tg_r bis t[J_r - tgV und t™^x - tg_r, die das Impulsmaximum zum Durchlaufen der einzelnen Abstände von X₀ bis zu den einzelnen Meßpositionen benötigt, bestimmt werden, eine Phasenkorrektur nach den Formeln 3 und 4 durchgeführt wird, die es ermöglicht, die exakte Phasengeschwindigkeit nach Formel 5 zu ermitteln und diese dann in bekannter Weise entweder in Abhängigkeit von der Frequenz graphisch dargestellt und zur Aufstellung von Eichkurven verwendet wird oder durch ein Rechnerprogramm, z.B. nach Newland (Phil. Trans. Roy. Soc. See. A245 [1952] S. 213-303) zur Bestimmung solcher Werkstoffkenngrößen wie Ε-Modul, Dicke von aufgebrachten Schichten usw. verwendet wird. Im folgenden soll die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Bestimmung der Dicke und des Ε-Moduls von Nickelschichten eingesetzt, die auf WC-Co-Hartmetallproben aufgebracht sind. Zunächst soll der apparative Aufbau beschrieben werden, der aus handelsüblicher Meßtechnik zusammengesetzt ist und eine Automatisierung des Verfahrens ermöglicht. Ultraschallanordnung

Schallquelle ist ein Impulslaser, mit dem Oberflächenwellenimpulse auf der Probenoberfläche angeregt werden, die mit einem piezoelektrischen Wandler empfangen werden, der auf der Probenoberfläche angebracht ist. Die Laserimpulse regen Oberflächenwellenimpulse mit einem breiten Frequenzspektrum an, deshalb wird durch die Wahl des Wandlers der Frequenzbereich festgelegt, in dem die Messung durchgeführt wird. Im Anwendungsfall beträgt der Frequenzbereich 33 bis 39MHz, der Wandler besitzt somit eine Mittenfrequenz von f_M = 36 MHz, was einer Periodendauer T_M = 27,8 ns entspricht. Wegmessung

Die Probe mit dem auf ihr befindlichen Wandler ist auf einem Kreuztisch aufgelegt, der mit einer Mikrometerschraube senkrecht gegenüber dem auftreffenden Laserstrahl verschoben werden kann und damit die im erfindungsgemäßen Verfahren erforderlichen einzelnen Abstände X zwischen Schallquelle und Schallempfänger mit hoher Genauigkeit von ± 1μηη eingestellt werden können

-Zeitmessung

Die Zeitmessung erfolgt mittels eines Digitaloszilloskops mit Anschluß an einen Digitalrechner, ebenso kann ein Boxcarintegrator mit Anschluß an einen Digitalrechner verwendet werden. Die Laufzeit der Schallwelle mit der Frequenz

f = — setzt sich aus zwei Anteilen zusammen. Der erste Anteil ist die Gruppenlaufzeit t_gr, die Zeitdauer zwischen dem Auftreffen

des Laserstrahls an der Meßposition X und dem Auftreten des Schallimpulsmaximums am Wandler. Der zweite Anteil besteht in der Phasenverschiebung der Welle gegenüber dem Impulsmaximum T φ (f). Das Phasenspektrum φ (f) wird mit der Fouriertransformation aus dem Impulsverlauf berechnet, wobei der Zeitnullpunkt derTransformation im Impulsmaximum liegt.

Der Transformationsnullpunkt ist somit identisch mit dem Ende der Gruppenlaufzeit.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens läuft nun wie folgt ab:

Die mit Nickel beschichtete WC-Co-Probe hat eine Meßlänge von X_max - X₀ = 10 mm. Zuerst werden die Gruppenlaufzeiten und die Phasenspektren am Anfang X₀ und am Ende der Meßstrecke X_max bestimmt. Die Gruppenlaufzeiten tg_r und t™* betragen 4,364 und 8,636ms. Die Positionen X₁ und die Anzahl η der zusätzlichen Messungen zwischen X₀ und X_max werden aus der Genauigkeit der verwendeten Zeit- und Wegmeßtechnik, der Periodendauer T_M der Mittenfrequenz des Spektrums und der Gruppenlaufzeit t™* - tgr, die der Schallimpuls zum Durchlaufen der Meßstrecke X_max - X₀ benötigt, nach den Formeln 1 und 2 bestimmt. Es werden folgende Werte eingesetzt:

Periodendauer T_M = 27,8ns

Δχ = 1 μηι

X_max - Xo = 10mm

Diese Werte in die Formel 1 eingesetzt, ergeben die erste zusätzliche Meßposition im Abstand von X₁ - X₀ = 0,08mm. Die nächste zusätzliche Meßposition wird durch Einsetzen der Werte in Formel 1 mit X₂ — X₀ = 1,2 mm ermittelt. Die Anzahl der zusätzlich erforderlichen Meßpositionen ergibt sich bei Erreichen von X, - X₀ > (Xmax — Xo) aus η = i - 1. Da im vorliegenden Fall X₃ - X₀ = 15,5 mm bereits größer als die vorgegebene Meßstrecke zwischen X₀ und X_max ist, ergeben sich nur zwei erforderliche zusätzliche Meßpositionen. Die Gruppenlaufzeiten für die zusätzlichen Meßpositionen betragen t_gr = 4,415ms t_gr = 4,878 με

Die Fouriertransformationen der Impulsverläufe, die bei X₀, Xi, X₂ und Xm_3x aufgezeichnet wurden, ergeben für die Mittenfrequenz f_M = 36 MHz die Phasenwerte: φ_ο = 2,5 rad φ, = 0,5 rad φ₂ = 0,45 rad •<Pmax=-1.70 rad

Aus den Meßwerten für die X, -. X₀, t_gr und cp, kann nach den Formeln 3 und 4 die Phasenkorrektur m_{n +} i berechnet werden. Es ergibt sich m₃ = -36. Damit kann nach Formel 5 die Phasengeschwindigkeit auf der gesamten Meßstrecke X_max - X₀ bestimmt

werden. Sie beträgt 3063 m/s. Bei einer Abtastschrittweite des Signalverlaufs von 1 ns und einer Zahl von 4096 Abtastpunkten liefert die diskrete Fouriertransformation die Phasenkomponenten φ für 49 Frequenzen im Bereich von 33 bis 39 MHz. Damit kann nach Formel 5 außer für f_M = 36 MHzfür weitere 48 Frequenzen die Phasengeschwindigkeit in diesem Frequenzbereich berechnet werden, die in Form eines Kurvenverlaufs in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen wird. Aus dem Kurvenverlauf wird mit dem Rechenprogramm nach Newland (Phil. Trans. Roy. Soc. See. A245 [1952] S.213) die Dicke der Nickelschicht mit 38Mm und derE-Modul mit 203GPa ermittelt.

Aufstellung der Formeln

^xmax-^xO ( ⁷M

, max _ , Q

-? - Δ*\-3ΔΧ

Δχ = Genauigkeit der Wegmessung At = Genauigkeit der Zeitmessung T_m = Periodendauer der Mittenfrequenz

für i = 1 bis η unter Berücksichtigung von mi = 0

^χΊ~^_0

_c _β ^Xmax ~^XQ

max_.O ^fgr

C = Phasengeschwindigkeit auf der Teilstrecke X]-X₀

C = Phasengeschwindigkeit auf der gesamten Meßstrecke X_013x - X₀

mi = Phasenkorrektur auf der Teilstrecke Xj — X₀

η = Zahl der zusätzlichen Meßpositionen zwischen X₀ und X_max

tgr = tgr = Gruppenlaufzeit auf der Teilstrecke Xj — X

Vf = Phase der Mittenfrequenz

Claims

Zerstörungsfreies Prüfverfahren für heterogene Werkstoffe durch Ermittlung der Phasengeschwindigkeitvon Ultraschallwellen, die in Abhängigkeit von der Frequenz grapisch dargestellt und/oder durch ein Rechenprogramm zur Bestimmung von Werkstoffkenngrößen herangezogen wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Signalveriäufe, die im Schallempfänger durch die Schallimpulse angeregt werden, außer am Anfang der Meßstrecke X₀ und am Ende der Meßstrecke X_max noch bei η weiteren, genau definierten und durch-die Formeln 1 und 2 ermittelten Meßpositionen X₁ und X_n zwischen X₀ und X_max einzeln aufgezeichnet werden, mit der Fouriertransformation die dazugehörigen Phasenspektren cp_0/ Cp₁ bis φ_π und cp_max ermittelt werden, die Gruppenlaufzeiten t_gr - tg_r, tgr - t|_r · t*_r - t°_r bis tgV - t°_r - t°_r und

t"gT - tg_r bestimmt werden, die das Impulsmaximum zum Durchlaufen der Meßstrecke X₁ - X₀, X₂ - X₀ bis X_n - X₀ und X_max - X₀ benötigt, eine Phasenkorrektur nach den Formeln 3 und 4 durchgeführt wird und die Phasengeschwindigkeit nach der Formel 5 bestimmt wird.