DE2134924A1

DE2134924A1 - Metallischer Schall Leiter oder Schallstrahler

Info

Publication number: DE2134924A1
Application number: DE19712134924
Authority: DE
Inventors: Samuel Prof Dr Liestal Steinemann (Schweiz) P C22c 15 00
Original assignee: Institut Straumann AG
Current assignee: Institut Straumann AG
Priority date: 1970-07-13
Filing date: 1971-07-13
Publication date: 1972-01-20
Also published as: US3752664A; GB1345812A; DE2134924C3; DE2134924B2; FR2101600A5; CH526346A

Description

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fach» ι «a O

Institut Dr. Ing.Reinhard Straumann AG, ¹^aIrenburr;

(SCH'.r:iZ)

Metallischer Schall-Leiter oder Schallstrahler

Verzögerungsleitungen spielen eine grosse Rolle in der Nachrichtentechnik, in Rechenautomaten, Messvorrichtungen etc. Das elektrische Signal wird durch piezoelektrische, magnetostriktive und andere Wandler in eine Schallwelle umgewandelt, die sich·im Schall-Leiter, der als Stab, Band, Draht ausgebildet sein kann, als Längs- oder Schubwelle fortpflanzt um durch einen gleichen Wandler wieder in ein elektrisches Signal bestimmter Verzcgerungszeit zurückverwandelt zu werden. Die bekannten Schallnedien sind Gläser, Quecksilber, Alurniniumlegierungen, nickel, teinperaturkonpenaierende Legierungen wie Ni-Span etc. Diese Materialien sollen die Schallwellen wenig dämpfen, honopen sein, einen möglichst kleinen Tenperaturkoeffizienten der Wellenlaufzeit aufvreisen, kleine Schallgeschwindigkeit haben, so dass die Dimensionen klein v/erden, und eventuell für die Anregung gute magnetostriktive Kopplung zeigen. Die Gesamtheit dieser Anforderungen ist nur beschränkt zu erreichen.

HO

Ed/fct

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Auch in der Ultraschalltechnilc, zur Bearbeitung harter Stoffe, der Materialprüfung, Echolorgeräten u.a.m., werden Materialien kleiner Dämpfung für die Schallstrahler benötigt. Solche Schallstrahler werden Jetzt aus Antikorodal, Messing, Titanlegierungen etc. hergestellt.

Im polykristallinen Metall sind die__Ausbreitungsge-

schwindlgkelten der Längswellen v_T = \/ /o und der Scher-

/"¹Q t ■" V '

wellen v_T = W /« .Ss ist dabei E der Elastizitätsmodul, G der Schubmodul und ψ die Dichte. Die Dämpfung α wird als Energieverlust über die Distanz der Ausbreitung angegeben, aber sie ist mit dem bekannten Gütefaktor Q für einen Schwinger durch die Beziehung

Q =

2 α ρ 2α

_mit ρ = ULl

verknüpft, wobei f die Frequenz und ν die Schallausbreitungsgeschwindigkeit ist.

Die nachfolgende Tabelle zeigt typische Eigenschaften einiger bekannter Materialien für Schall-Leiter:

Material	^VL m/s	m/s	Temperat. Koeffizient Grad"¹	α (Dämpfung) db/cm	<	3· 10~"* (transversal _{r 2} 30 KHz) 6·10 (longit.2MHz) 6·10~ (transvers. 2?Πίζ) 1,5·ΙΟ"¹(longit. 2KEZ)
Sj.0₂ainorph Ni Ni~Span	6-1O³ 4,8.1O³ 4.5.1O³	3,8·1Ο³ 3·1Ο³	15-ΙΟ"*⁵ einstellbar

Der Quarz hat eine ausserordentlich kleine Dämpfung, nicht jedoch die metallischen Schall-Leiter. Schall-Leiter aus Quars lassen sich aber nicht in jeder gewünschten Form anfertigen; sie haben für Verzögerungsleitungen üblicher-

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weise die Form einer Stange oder eines Polygons. Im Unterschied dazu lassen sich natürlich aus Metall Schall-Leiter jeder beliebigen Form anfertigen. Für Schallstrahler wird meist auch gute Ermüdungsfestigkeit gefordert, so dass grosse Intensitäten übertragen werden können; hierin verhalten sich Metalle günstiger aber grössere Dämpfungen sind in Kauf zu nehmen·

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen VJerkstoff anzugeben, der die guten Qualitäten der Schallleitung dea amorphen Quarzes aufweist, also eine geringe Dämpfung besitzt, aber metallisch ist, also eine beliebige Verarbeitung zulässt und sich folglich in jede Form bringen lässt und zudem einen nicht zu grossen Temperatur-Koeffizienten der Elastizität, also der Wellenlaufseit hat."

Es wurde nun systematisch untersucht, welches die Ursachen der Dämpfung sind. In Figur 1 ist die durch die Relationsvorgänge bedingte Dämpfung α in Abhängigkeit von der Frequenz f über einen grossen Bereich aufgetragen. Die ausgezogene Kurve gilt für vlelkrietallines Aluminium mit einer mittleren KorngrSsse D* s 0,6-mm Und die gestrichelte Kurve für die Fe30Ni-Legierung mit D* « O₄Sram. Die Vorgänge der Dämpfung sind je nach Frequenz unterschiedlich (für die Theorie ist verwiesen auf C.Zener: "Elasticity and Anelasticity of Metals", The University of Chicago Press Chicago-London 1948j W.P.Mason: "Physical Acoustics and the Properties of Solids", D.Van Uostrand Comp. Princeton-Toronto-London-New York 1958; R.T.Smith and R.W.B.Stephens: "Effects of Anisotropy on Ultrasonic Propagation in Solids", edited Standford, Fearson and McGonnagle "Progress in Applied Materials Research" Vol.5, p.41-64, 1964, Heywood Book Temple Press Book London). Die Daten betreffen longitudinal Schallwellen, doch sind die Vorgänge in gleicher Weise auch für transversale Schallwellen ' vorhanden; diese Vorgänge sind:

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- Frequensbereich (T) unter etwa 1 kHz: Relaxationsvorgänge von gelösten Zwischengitteratomen, Versetzungsbewegungen j Dämpfungen klein.

-Bereich (Ip um 1-10 kHz: Thermoelestischer Relaxationsverlust im Polykristall oder Zener-Effekt; im Vielkristall v/erden die elastisch anisotropen, beliebig orientierten Kristallite unterschiedlich gedehnt unter Beanspruchung, was zu lokal unterschiedlichen Temperaturen und einer Relaxation im Takte des Wärmeflusses führt,

- Bereich (J) bei mittleren Frequenzen: Relaxationsvorgänge durch Versetzungsbewegungen und Wechselwirkungen zvrischen chemischen und strukturellen Gitterfehlern j die Dämpfungen sind im allgemeinen niedrig_s auster in ferromagnetischen Stoffen«

- Bereiche (5^ (^ und ||) : Sehallstreuung (scattering) 'und Sehallbeugung (diffusion) im Vielkristallj welche dadurch Zustandekommen^ #ass Im Vielkrist&ll die elastisch anisotropen Kristallite ^ereehitdener Orienfei«njiig raioht gleiche Schallimpedanis hafe®a \m& (wie für Licht) ά©η Schall streuen ®uqt in Reflesiosi witereehiedlicü %eugen| Üi@ Effekt© werdendann demtllch_e maw. UIe Wellenlänge'% β v/f von gleicher* Grussenordnung wi@ der Krlstallitdurshstesser Έ ist. Man nennt © den Rayleigli-Bereiehj '(D den ^wischenbereioh und ^) den Bereich der Beugung! ^^e DSffipfung in allen drei Bereichen hängt ¥on WärmegrSssen (Wärmeleitfähigkeit, spesslfische Wärme) un«l daneben von weiteren Parameter/i wie s_e B, dem mittleren Kristallitdurehraeseer der Frequenz und einer Zahl für die elastische. Anisotropie ab.

- Bereich Q) bei noch höheren Frequenzen: Hysterese- · dämpfung und thermoelmetl&ebe Relaxation tritt auf, welch letztere mit f verliert und im Absolutwert durch des Mfettrlalsß bestimmt ist»

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Der rapide Anstieg der Dämpfung in den Bereichen (5) und fä) begrenzt die Möglichkelten für metallische Verzögeaungsleitungen. Je grosser die einzelnen Kristallite des Vielkristalle s sind, um so grosser ist die Dämpfung in diesem Frequenzbereich und deshalb werden in der heutigen Technologie durch extreme Kaltverformung und spezielle Wärmebehandlung kleine Korngrössen erzwungen, doch haben Verzögerungsleitungen deswegen Immer noch eine praktische Grenze bei etwa 2 MIIz. Höhere Frequenzen ermöglichen aber bei solchen Elementen ein höheres Informationsvolumen.

Die Dämpfung der Bereiche (2) , Qj) , (5) , © hängen von der elastischen Anisotropie des Materiales ab. Ist das Material elastisch isotrop, so verschwinden diese Dämpfungen und dies ist der Fall für amorphen Quarz (amorph = isotrop). Elastische Isotropie ist aber die aussergewöhnliche Eigenschaft für Metalle, welche nämlich immer kristallin auftreten und es sind heute keine elastisch isotrope, metallische Werkstoffe bekannt (Wolfram Ist zwar elastisch Isotrop, aber von hoher Dichte und als Konstruktionsmaterial·zudem ungeeignet). Aluminium, dessen Dämpfung in der Figur 1 dargestellt ist, hat den Axiiäotropiefaktor A = 1,23 und· die Eisen-Njtckel-Legierung 3,8 (auch Ni-Span). Diese Grßsse

A-_Cp w> - O₄₁₁

cp = (O₁₁-O₁₂)

wird aus Messungen am Einkristall bestimmt (unter bestimmten Annahmen auch aus dem Vielkristall). CP und CS sind die unabhängigen Schubraoduli und A = I bedeutet, dass sich Schallwellen in jeder Richtung gleich ausbreiten, so dass der Schallübergang zwischen verschieden orientierten Kristalllten ungestört ist j man sagt, die Impedanz der Korngrenze verschwinde. Es_#konnte festgestellt werden, dass bei den Uber-

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gangsmetallen und ihren Legiertmgen die freien lletallelektrcnen, als Energie der Bandenstruktur, einen grossen Beitrag zu den Elastizitätsmoduli ausmachen und dass von den beiden unabhängigen Schubmoduli CP und CS der zweite, also CS, in gewissen Legierungsbereichen durch den Bandenbeitrag stark reduziert wird. Gewöhnlich ist A**2...1Q, aber bei reduziertem CS kann dann Αλ>1 werden. Die Figur 2 zeigt Resultate von systematischen Messungen des AnisotropiefaktDrs A als Funktion des Verhältnisses Elektronen pro Atom e/a (auch Elektroiienkonzentration genannt). Dieses Verhältnis ist

PWMM

= ^₅ Σ

und wird für eine Legierung so bestimmt, dass das Produkt Konzentration in Atom? X. mal Anzahl äusserer Elektronen •{Gruppennummer im periodischen System) V, für jede Komponente gebildet und diese Produkte summiert werden. Daraus ergibt sieh, dass offenbar die Anisotropie durch, das Verhältnis e/a einheitlich, also unabhängig von den !Komponenten für die Bandenbeiträge „zur Elastizität darstellbar 1st, und dass demzufolge für den Anisotropiefaktor das sogenannte "Rigid-Band Model" gilt. Dies aber nur dann, wenn'die Bandenbeiträge stark sind, was zum Beispiel in einer hohen magnetischen Suszeptibilität von mehr als 5Ο·1θ" emE/mol oder hoher spezifischer Wärme bei tiefen Temperaturen ersichtlich wird.

Der erfindupgsgemässe metallische Schall-Leiter oder Schallstrahler ist nun dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Legierung besteht, von welcher e/a zwischen 4,4 und 5,2, vorzugsweise 4,5 bis 4,9, beträgt und die mindestens zu 70 Atom&, vorzugsweise sogar zu 99 Atomji, aus Elementen der Gruppen IV, V juid VI der übergangsmetalle gebildet wird. Besonders zweckmäBsig ist es, wenn die Legierung im einphasigen Zustand vorliegt. Es handelt sich bei diesen Elementen also um JTi, V, Cr, Zr, Nb, Mo Hf, Ta UHd W.

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Ifechfolgend werden einige erfindungsgenässe Legierungen nit ihren zugehörigen Werten angegeben, wobei es sich bei den /5-Ängaben stets um Atom# handelt. Bei all diesen Legierungen ist der Anisotropiefaktor A = 1, es handelt sich also stets um isotrope Legierungen mit entsprechend geringer Dämpfung.

a)	22?	V Ti	e/a	= 4,78
b)	60? 40?	lib Zr .	e/a	= 4,6
c)	65? 35?	Nb" Tl	e/a	= 4,65
d)	61? 39?	Ti Cr	e/a	= 4,78
e)	56? 44?	Ti Mo	e/a	= 4,88
f)	62?	Nb
	10?	Ti	e/a	= 4,62
	28?	Zr
ε)	50?	Hb
	20?	V	e/a	= 4,7
	30?	Ti
h)	70?	Nb
	10?	Ta	e/a	= 4,8
	20?	Ti

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ρ) 7*f Ti

I)	50%	Nb	e/a =	4,6
	*10%*	V
	W	Zr
k)	15%	Nb	e/a =	4_S65
	4θ#	V Zr
	1OJ?	Ti	e/a =	5,00
1)	60$ 4OS5	Nb Ta	e/a -
m)	60% hot	Ti W ·

n) 50$ Nb

Ta e

Mb

30? ¥ e'/a « ft ,7

TI

e/a s

26? Mn

q) 30^ Ti

e/a s i|,8

20% Pe

r) 50^ TI

*5S Cr

6 ? Al

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Die Fig, 3 zeigt weitere Beispiele für ternüre Legierungen, wobei die ausgezogene Linie im schraffierten Gebiet, also dem Gebiet der erfindungsgemässen Legierungen, die Legierungen mit A=I darstellt.

In den Beispielen p) und q) treten Legierungskomponenten ausserhalb der Gruppen I\, V und VI auf und das Beispiel r) enthält sogar ein ij'icht-Übergangselement. Letztere Komponenten (wie zum Beispiel Al, Cu) erhöhen die Festigkeit; möglicne Konsentrationen liepen unter 10 %, da sie offenbar den Ban^enbeitrag zu den Elastizit£tsnioduli unterdrücken.

Messungen von Schalldaten an einzelnen Legierungen ergaben folgende Resultate

	4,5·	a	m/s	3,	5·	b	m/s	3.	ο
V-	3·10	ΙΟ³	m/s	2,	5·	ΙΟ³	m/s	2,	,5·1Ο³ m/s
^VT	-10·	3	Grad"¹	-3		ΙΟ³		,5·ΙΟ³ m/s
Temperatur koeffizient von v_T Jb	ΙΟ"³	ΙΟ"⁵	m	10	-3	*ο-\*	db/cm	klein *
α (longit, 10 KHz)	db/c					IC
		Γ³db/cm

Die Dämpfungen der erfinfSungsgemässen isotropen Legierungen liegen in Fig. 1 im schraffierten Gebiet, weißen also Dämpfungen auf, welche 10-1000 mal geringer sind als jene herkömmlicher, elastisch anisotroper Metalle· Zudem sind die Schallausbreitungsgeschwindigkeiten kleiner, so dass für eine gegebene Verzögerung kürzere Leitungen verwendet werden können.

Für Schallstrahler hat die elastische Isotropie zudem höchste Ermüdungsfestigkeit zur Folge, weil Spannungen und Dehnungen im Vielkristall überall gleichm'tssig verteilt

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sind, im Gegensatz zum anisotropen Metall, wo unterschiedliche Dehnung der Kristallite Spannungsspitzen bexdrken, die ihrerseits zur Zerstörung des Kristallgitters führen«

Die erfindungsgenässen Schall-Leiter lassen sich als Verzögerungselemente verwenden, und zwar zwecknässigerweise in Form von Zylindern oder Drähten.- Die Erregung una die Schwingungsabnahme kann mittels piezoelektrischer oclep magnetostriktiver Wandler erfolgen.

Erfindungsr:emässe Schallstrahler werden bei Ultraschallgeräten zur Bearbeitung harter Stoffe, zur Materialprüfung und als Sonare in Form von Zylindern oder als Horn verwendet.

Zur Herstellung werden die Materialien, im Lichtbogenöder Elektrostrahlofen erschmolzen und den üblichen Umarbeitungen, wie z. B. durch Schmieden, Strangpressen und Utlrr'.ebehandlungen unterworfen. Weil die Anisotropiekonstante A nit dem Verhältnis e/a (freie Elektronen pro Atom) nur langsam ändert, stören unvermeidliche Konzentrationsschvrankungen nur wenig. ·

Ein Teil der Materialien (zum Beispiel V-Ti, Nb-V-Ti) liegt unter beliebigen Bedingungen in der ß-Phase vor. Andere weisen nur bei höheren Temperaturen die ß-Phase auf, zerfallen aber bei Temperaturen unter 500-800°C (zum Beispiel Nb-Zr, Nb-V-Zr, Ti-Cr). Damit können Materialien besonders hoher Festigkeit erhalten werden (durch Glühen, Abschrecken und Auslagern), ohne dass die Dämpfungseigenschaften wesentlich verschlechtert werden, da diese Ausscheidungen submikroskopische Dimensionen haben.

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Claims

- 11 ANSPRÜCHE

1. !'etallischer Schall-Leiter oder Schallstrahler, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Legierung besteht, von welcher der Wert- von e/a zwischen 4,4 und 5»2 liegt, und die mindestens zu 70 Atom* aus Elementen der Gruppen IV, V und VI der übergangsreetalle gebildet vrird.

2. Schall-Leiter oder Schallstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der e/a-Wert der Lepierune zwischen 4,5 und 4,9 liegt.

3. Schall-Leiter oder Schallstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zu mindestens 99 ί aus Elementen der Gruppen IV, V und VI der Übergangsmetalle gebildet wird.

4. Schall-Leiter oder Schallstrahler nach,Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bis zu JO fteotog Nicht-Übergangsmetalle enthält.

5. Schall-Leiter oder Schallstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bis zu 30 % Ubergangsmetalle aus den Gruppen VII und VIII enthält.

6. Schall-Leiter oder Schallstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Legierung im einphasigen Zustand befindet.

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