DD258291B1 - NON-DESTRUCTIVE TESTING METHOD FOR HETEROGENIC MATERIALS - Google Patents
NON-DESTRUCTIVE TESTING METHOD FOR HETEROGENIC MATERIALSInfo
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Description
Hierzu 1 Seite FormelnFor this 1 page formulas
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Physik und betrifft ein Prüfverfahren zur störungsfreien Qualitätskontrolle, insbesondere für oberflächennahe Wei kstoffbereiche.The invention relates to the field of physics and relates to a test method for trouble-free quality control, in particular for near-surface Wei kstoffbereiche.
Bei Anwendung von Ultraschall-Oberflächenwellen ermöglicht das Verfahren die Bestimmung solcher Parameter wieWhen using ultrasonic surface waves, the method allows the determination of such parameters as
Schichtdicke von aufgebrachten OberflächenschichtenLayer thickness of applied surface layers
Eintringtiefe von GefügeveränderungenInsertion depth of structural changes
Ε-Modul dünner SchichtenΕ module of thin layers
Gradient der elastischen Eigenschaften von aufgebrachten Schichten.Gradient of the elastic properties of applied layers.
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.When using plates or bar waves in sheets or wires is also suitable for the investigation of deformation textures, which have an anisotropy in the mechanical, electrical and magnetic properties of the material and for determining the plates or wire thickness The invention is applicable to all materials, the heterogeneous surface areas z. B. by coating, alloying, melting, indiffusion, etc., and thus cause a dispersion of sound propagation, d. H. a dependence of the phase velocity on the wavelength and the frequency. It can also be applied in the case of geometric dispersion, i. when the extent of the workpiece in one or two directions (plates or bars) is of the order of the sound wave length.
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. Juli 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 (φι und φ2) mit Hilfe der Fouriertransformation berechnet. Damit kann für jede Frequenzkomponente f, die im Imputsspektrum enthalten ist, die Phasenlaufzeit t^, = [φχ — φζ) 2πί bestimmt werden. Die Phasengeschwindigkeit läßt sich nach οφ = L/t^ 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.Known is the possibility of non-destructive quality control of heterogeneous materials with the impulse-echo method (DRAllen and WHCooper, Ultrasonies International 83rd Conference Proceedings Halifax, July 12-14, 1983, Butterworths Sevenoaks, Kent 1983) and the impulse transmission method ( W. Sachse and Y. Pao, J. Appl. Phys. 49 (1978) 4320-27), in which the phase transit time of ultrasonic waves is determined by the Fourier transformation of the pulse progression. The pulse course is recorded at the beginning and at the end of a test section of length L. For both pulses, the phase spectrum (φι and φ 2 ) is calculated separately with the aid of the Fourier transformation. Thus, for each frequency component f, which is contained in the Imputsspektrum, the phase delay t ^, = [φχ - φ ζ ) 2πί be determined. The phase velocity can be determined according to ο φ = L / t ^. In heterogeneous materials, the phase velocity is frequency-dependent. The disadvantage of this method is that the correct phase velocity can only be determined when either operating at low frequencies, or the high-frequency pulse has low-frequency components, the frequency function of the pulse must have zero zeros up to the frequency zero point. These conditions can be realized in the rarest cases, since a US converter with these properties is difficult to produce. If the above requirements can not be realized, the method is only applicable if the phase velocity is approximately known or the measuring cell is smaller than the wavelength, but in the last-mentioned case very large measuring errors occur in the determination of the phase velocity. This method is therefore only applicable for routine examinations in which the sound propagation properties of the sample to be examined are approximately known and change only within narrow limits.
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.The aim of the invention is the safe, economical non-destructive determination of material parameters such as layer thickness, Ε-modulus, gradient of elastic properties in near-surface material areas or deformation textures and thickness of sheets and wires, even with unknown composition of the samples to be examined.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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 Xmex einer vorgegebenen Meßstrecke noch bei η weiteren, genau definierten und durch die Formeln 1 und 2 ermittelten Meßpositionen X1 bis Xn zwischen X0 und Xmax einzeln aufgezeichnet wird, daraus mit der Fouriertransformation die dazugehörigen Phasenspektren φο, φ, bis φη und cpmax ermittelt werden, die Gruppenlaufzeiten tg, t°„ tjj, - t£r bis tgr - t°r und t™* - tg„ 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. Sec. 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.The invention has for its object to provide a test method in which can be determined with commercial equipment, the phase velocity of ultrasonic waves accurately and over a wide frequency range. According to the invention, the object is achieved in that the waveform which is excited in the sound receiver by the sound pulses, except, as already known, at the beginning X 0 and at the end X mex a predetermined measurement distance at η further, precisely defined and by the formulas. 1 and 2 determined measuring positions X 1 to X n are recorded individually between X 0 and X max , from which the associated phase spectra φ ο , φ, to φ η and cp max are determined using the Fourier transformation, the group delay times tg, t ° "tjj, - t r to tg r - t ° r and t ™ * tg ", which requires the pulse maximum for passing through the individual distances from X 0 to the individual measuring positions, a phase correction according to formulas 3 and 4 is carried out it allows to determine the exact phase velocity according to formula 5 and then graphically represented in a known manner either as a function of the frequency and the establishment of Eichku used by a computer program, eg to Newland (Phil. Trans. Roy. Soc. Sec. A245 (1952) p.213-303) is used to determine such material parameters as Ε modulus, thickness of applied layers, etc. In the following, the invention will be explained in more detail by an embodiment.
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.The inventive method is used to determine the thickness and the Ε-module of nickel layers, which are applied to WC-Co hard metal samples. First, the apparatus design will be described, which is composed of commercially available measuring technology and allows automation of the process.
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 fM = 36MHz, was einer Periodendauer TM = 27,8ns entspricht.Sound source is a pulsed laser that excites surface wave pulses on the sample surface that are received by a piezoelectric transducer mounted on the sample surface. The laser pulses excite surface wave pulses having a wide frequency spectrum, therefore the choice of the transducer determines the frequency range in which the measurement is made. In the application, the frequency range is 33 to 39 MHz, the converter thus has a center frequency of f M = 36 MHz, which corresponds to a period T M = 27.8 ns.
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 ± 1/jm eingestellt werden können.The sample with the transducer located on it is placed on a cross table, which can be displaced perpendicular to the incident laser beam with a micrometer screw and thus the required individual distances X between sound source and sound receiver required in the inventive method with high accuracy of ± 1 / jm can.
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 FrequenzThe time measurement is carried out by means of a digital oscilloscope with connection to a digital computer, as well as a box office integrator can be used with connection to a digital computer. The duration of the sound wave with the frequency
f = — setzt sich aus zwei Anteilen zusammen. Der erste Anteil ist die Gruppenlaufzeit tgf, die Zeitdauer zwischen dem Auftreffenf = - is composed of two parts. The first part is the group delay t gf , the time between the impact
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 der Transformation im Impulsmaximum liegt.of the laser beam at the measuring position X and the occurrence of the maximum sound pulse at the transducer. The second component is the phase shift of the wave with respect to the maximum impulse T · φ (f). The phase spectrum φ (f) is calculated using the Fourier transformation from the pulse curve, the time zero point of the transformation lying in the maximum of the pulse.
Der Transformationsnullpunkt ist somit identisch mit dem Ende der Gruppenlaufzeit.The transformation zero point is thus identical to the end of the group delay.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens läuft nun wie folgt ab:The execution of the test method according to the invention now proceeds as follows:
Die mit Nickel beschichtete WC-Co-Probe hat eine Meßlänge von Xmax - X0 = 10 mm. Zuerst werden die Gruppenlaufzeiten und die Phasenspektren am Anfang X0 und am Ende der Meßstrecke Xmax bestimmt. Die Gruppenlaufzeiten tg, und t™* betragen 4,364 und 8,636ps. Die Positionen X, und die Anzahl η der zusätzlichen Messungen zwischen X0 und Xmax werden aus der Genauigkeit der verwendeten Zeit- und Wegmeßtechnik, der Periodendauer TM der Mittenfrequenz des Spektrums und der Gruppenlaufzeit 'g1'" ~ 'gr· die der Schallimpuls zum Durchlaufen der Meßstrecke Хтях - X0 benötigt, nach den Formeln 1 und 2 bestimmt. Es werden folgende Werte eingesetzt:The nickel coated WC-Co sample has a gauge length of X max - X 0 = 10 mm. First, the group delays and the phase spectra are determined at the beginning X 0 and at the end of the measuring distance X ma x. The group delays tg, and t * are 4.364 and 8.636ps. The positions X, and the number η of the additional measurements between X 0 and X max are calculated from the accuracy of the time and distance measurement technique used, the period T M of the center frequency of the spectrum and the group delay 'g 1 '''' Acoustic impulse for passing through the test section Х тях - X 0 required, determined according to formulas 1 and 2. The following values are used:
Periodendauer TM = 27,8 nsPeriod T M = 27.8 ns
At = 1 nsAt = 1 ns
Δχ = 1 pmΔχ = 1 pm
Xmax - Xo= 10mmXmax - Xo = 10mm
t™*-^, = 4,2719 ust ™ * - ^, = 4.2719 us
Diese Werte in die Formel 1 eingesetzt, ergeben die erste zusätzliche Meßposition im Abstand von X, - X0 = 0,08mm. Die nächste zusätzliche Meßposition wird durch Einsetzen der Werte in Formel 1 mit X2 - X0 = 1,2mm ermittelt. Die Anzahl der zusätzlich erforderlichen Meßpositionen ergibt sich bei Erreichen von X-, - X0 > (Xmax - X0) aus η = i - 1. Da im vorliegenden Fall X3 - X0 = 15,5 mm bereits größer all die vorgegebene Meßstrecke zwischen X0 und Xmax ist, ergeben sich nur zwei erforderliche zusätzliche Meßpositionen. Die Gruppenlaufzeiten für die zusätzlichen Meßpositionen betragen Ü, = 4,415msThese values used in Formula 1, give the first additional measurement position at a distance of X, - X 0 = 0.08mm. The next additional measuring position is determined by inserting the values in formula 1 with X 2 - X 0 = 1.2mm. The number of additionally required measuring positions is obtained when X, - X 0 > (X max - X 0 ) from η = i - 1. Since in the present case X 3 - X 0 = 15.5 mm already larger all the given measuring distance between X 0 and X max , there are only two required additional measuring positions. The group delay for the additional measuring positions is Ü, = 4,415ms
t|, = 4,878 ust |, = 4.878 us
Die Fouriertransformationen der Impulsverläufe, die bei Xn, X,, Xj und X1110x aufgezeichnet wurden, ergeben für die Mittenfrequenz fw = 36MHz die Phasenwerte:The Fourier transforms of the pulse waveforms recorded at X n , X ,, Xj and X 1110x give the phase values for the center frequency fw = 36 MHz:
(p„ = 2,5 rad(p "= 2.5 rad
<pi = 0,5rad<pi = 0.5rad
Cp2 = 0,45 radCp 2 = 0.45 rad
<Pme* = -1,70 rad<Pme * = -1.70 rad
Aus den Meßwerten für die Xj - X0, tg, und φ, kann nach den Formeln 3 und 4 die Phasenkorrektur mn 4 , berechnet werden. Es ergibt sich m3 = -36. Damit kann nach Formel 5 die Phasengeschwindigkeit auf der gesamten Meßstrecke Xn From the measured values for the Xj-X 0 , tg, and φ, the phase correction m n 4 , can be calculated according to the formulas 3 and 4. The result is m 3 = -36. Thus, according to formula 5, the phase velocity over the entire measuring path X n
werden. Sie beträgt 3063 m/s. Bei einer Abtastsclirittweite des Signalverlaufs von 1 ns und einer Zahl von 4096 Abtaslpunkten liefert die diskrete Fouriertransformation die Phasenkomponenten φ für 49 Frequenzen im Bereich von 33 bis 39MHz. Damit kann nach Formel 5 außer für fM = 36 MHz für 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 38pm und der Ε-Modul mit 203GPa ermittelt.become. It is 3063 m / s. With a sampling length of the signal of 1 ns and a number of 4096 sample points, the discrete Fourier transform provides the phase components φ for 49 frequencies in the range of 33 to 39 MHz. Thus, except for f M = 36 MHz for another 48 frequencies, the phase velocity in this frequency range can be calculated according to formula 5, which is plotted in the form of a curve as a function of the frequency. From the course of the curve, the calculation program according to Newland (Phil. Trans. Roy. Soc. See, A245 [1952] p. 213) determines the thickness of the nickel layer at 38 pm and the Ε modulus at 203 gPa.
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