DE2511750B1

DE2511750B1 - Verfahren zur quantitativen werkstoff-korngroessenbestimmung

Info

Publication number: DE2511750B1
Application number: DE19752511750
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Goebbels
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1976-02-26
Also published as: DE2511750C2; US4026157A; FR2304919B1; FR2304919A1

Description

A_s(x) = const ■ \^rä_se~"^x
mit

a_s = Streukoeffizient,

a = Schwächungskoeffizient = a_A (Absorption) + a_s.

In der Konstanten stecken alle äußeren Einflußparameter. Die Darstellung In A_s(x) auf einem Plotter zeigt durch die Linearität

bestimmt werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz so gewählt wird, daß dl λ % 0,1 - 0,5 beträgt.

In A_s (x)

— a X

die Homogenität an. Abweichungen von dieser Geradenform deuten auf Gefügeinhomogenitäten hin.

Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß eine Eichprobe mit bekanntem Gefüge benötigt wird, wobei dieses Gefüge durch andere Verfahren ermittelt werden muß, so daß für verschiedene Werkstoffe jeweils die entsprechenden Eichproben benötigt werden. (J. Koppelmann, Materialprüfung 9 [1967], S. 401, und J. Koppel mann, Materialprüfung 14 [1972], S. 156, sowie B. F a y. Acustica Vol. 28 [1973], S. 354.)

Das in den Ansprüchen 1 und 2 angegebene erfindungsgemäße Verfahren beseitigt diese Mangel.

Zu dem Anspruch 1 sei noch die entsprechende Theorie angegeben: Aus den mit den zwei Frequenzen J₁ und J₁ (z. B. 5 und 10 MHz) gemessenen Funktionen

A_sl(x) = constj · ]/a_sl ■ e~"'^x
und
A_S2(x) = consti · \a_S2 " e~"-^A

können durch Logarithmieren die Koeffizienten

"l = ".Vl + ",11

"2 = «S2 + ",12

bestimmt werden.
Da i. a. (Korngröße d <c Wellenlänge /.) gilt:

",i = cij'¹
und

"S = ClJ* ,

wird im Rechner

woraus sich mittels

«v,

20

25

ermittelt. Der quantitative Zusammenhangt^ = d³-J7 (Dichte, Schallgeschwindigkeiten, Anisotropie) ist bekannt und kann nach d aufgelöst werden.

Dem Anspruch 2 liegen die folgenden Überlegungen zu Grunde:

Liegen zwei Proben, die mit m und η bezeichnet seien, des gleichen Werkstoffs mit gleicher Oberflächenbearbeitung, aber mit unterschiedlichem Gefügezustand (z. B. durch verschiedene Wärmebehandlungen) vor, so können Messungen mit einer Frequenz allein schon zu a_Si und zu d, (i = m, n) führen:

A₅Jx) = const · ]fa_Sm -

A₃JO) = const · fiu^, ;

A₃Jx) = const·

A_3n(O) = const ·

Bei nicht zu groben Gefügeunterschieden (im wesentlichen bezieht sich dies auf Ausscheidungen usw.) gilt nämlich

'¹Am ⁼ ^aAn ⁼ ^aA

Die Kombination der zwei Wertpapiere liefert (α, = a_s; + a_A, mit; = m, n):

45

50

55

a_Sn = (a„-«J/[l - Al₁₁ (O)IAl_n

60 wieder die mittleren Korngrößenwerte d, bestimmen lassen.

Die notwendigen Werte von H können der Theorie von B h a t i a (Ultrasonic Absorption. Clarendon Press, Oxford, 1967, S. 278 ff.) entnommen und einfach programmiert werden.

Die Erfindung wird an Hand der A b b. 1 und 2 erläutert.

Aus der Sinuswelle eines HF-Generators werden durch geeignete Unterbrechung einzelne Impulse wählbarer Länge und Impulswiederholfrequenz gebildet (Bursterzeugung), die über einen Leistungsverstärker den Prüfkopf zur Aussendung quasimonochromatischer Ultraschallimpulse anregen.

Am Ende der Wasservorlaufstrecke (s. A b b. 1) (Wasser zeigt keine Streuung) wird zunächst reflektierter Ultraschall gemessen: Die Schallachse ist zwar schräg auf die Oberfläche gerichtet, ein Bruchteil der Intensität des Sendeimpulses gelangt aber dennoch senkrecht auf die Oberfläche und wird von dort zurück reflektiert. Nach dieser — geringen — Amplitude erfolgt der Anstieg zur Streuamplitude A_s aus der Oberfläche.

Diese Streuamplitude nimmt dann i. a. (homogener Werkstoff) exponentiell ab. Ihr überlagert sind bei geringer Probendicke (z. Db. 20 mm und darunter) und geringer Schwächung (auf Grund feinkörnigen Gefüges und niedrig gewählter Frequenz) »Streu-Reflexionen« der Proben-Unterseite, -Oberseite usw., bis diese ganz gedämpft sind. Diese und andere Störungen (z. B. durch Oberflächenwellen) empfehlen daher die Auswertung einer Streuungsmessung durch das Anlegen einer unteren »Grenzkurve«. Sie liefert die für die Korngrößenbestimmung notwendigen Meßgrößen (Amplitude an der Oberfläche; laufwegabhängige Amplitudenabnahme = Schwächung). Eine Relativbewegung zwischen Prüfkopf und Probe während der Messung mittelt über die stets vorhandenen Interferenzminima und -Maxima, so daß sich der in der A b b. 1 gezeigte Streuamplitudenverlauf ergibt.

Einer logarithmischen Verstärkung der empfangenen Streusignale folgt über einen Anpaßverstärker die Digitalisierung dieser Signale in einem Analog-Digital-Wandler (s. Abb. 2). Die gemessenen Signale werden auf einem Display dargestellt. Die Weiterverarbeitung geschieht wahlweise

entweder direkt durch Ausgabe der Signale auf einen Fernschreiber oder Lochstreifenstanzer,
oder (für den »ambulanten« Betrieb ohne Computer) durch Aufaddieren beliebig vieler Messungen in einem Signal-Averager, der das Ergebnis dieser Messungen auf Lochstreifen auszustanzen gestattet,

oder durch on-line-Anschluß des Analog-Digital-Wandlers an einen Rechner und die programmierte Auswertung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Korngröße d in Werkstoffen mit einem Ultraschall-Schwächungskoeffizienten a = α , + a_s, WO der Absorptionskoeffizient a_A linear von der Ultraschallfrequenz/abhängt (O₁=O₁-/) und der Streukoeffizient n_s die Größe H ■ d³ ■ f = a±J* besitzt (mit H = const [Dichte, Schallgeschwindigkeit und Anisotropie]), mittels Messung der gestreuten Schalldruckamplitude A_s(x) in Abhängigkeit von der Laufzeit der Schallwelle in der Probe und Mittelung über begrenzte Gefügebereiche durch Relativbewegung zwischen Schallgeber und Probe entweder kontinuierlich oder in diskreten Schritten, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall mit zwei verschiedenen Frequenzen /j und /₂ eingestrahlt und die Schalldruckamplitude für beide Frequenzen j\ und f₂ gemessen wird und daß daraus die Schwächungskoeffizienten «, und «, für beide Frequenzen j\ bzw. /₂ ermittelt und die Größe α₊ aus der Beziehung

U₂ './1 - ./10

bestimmt wird.

2. Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Korngröße d in Werkstoffen mit einem Ultraschall-Schwächungskoeffizienten a = a_A + a_s, wo der Absorptionskoeffizient a_A als in zwei Proben gleich angesehen wird und der Streukoeffizient «_s die Größe H ■ d³ ■ /⁴ = a₄ · /⁴ besitzt (mit H = const [Dichte, Schallgeschwindigkeit und Anisotropie]), mittels Messung der gestreuten Schalldruckamplitude A_s (x) in Abhängigkeit von der Laufzeit der Schallwelle in der Probe und Mittelung über begrenzte Gefügebereiche durch Relativbewegung zwischen Schallgeber und Probe entweder kontinuierlich oder in diskreten Schritten, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei Proben, die mit m und η bezeichnet seien, des gleichen Werkstoffs, aber mit unterschiedlichem Gefüge mit der gleichen Frequenz eingestrahlt wird, für beide Proben die Streuamplituden A_Si(O) an den Oberflächen und die jeweiligen Schalldruckamplituden A_Si(x) gemessen werden (i = m, n) und daß daraus mit den ermittelten Schwächungskoeffizienten «_m und a„ für die beiden Proben direkt die Streukoeffizienten a_Sm bzw. a_s„ für die beiden Proben aus der Beziehung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Während die Streuung elektromagnetischer Wellen (Röntgenstrahlen, Licht, Radar) in der Praxis schon eine breite Anwendung gefunden hat, sind die Möglichkeiten der Streuung akustischer Wellen noch weitgehend ungenutzt.

Ultraschall-Impulse in Stahl werden teils vom Werkstoff absorbiert, teils regen sie die das Gefüge kennzeichnenden Kristallite (Körner) zu Schwingungen an. die wiederum als Schall nachweisbar sind (= Streuung).

Bei der heute üblichen Gefügebeurteilung mit Ultraschall wird die sich aus Absorption plus Streuung ergebende Schwächung in planparallelen Prüflingen ermittelt und ausgewertet. Streuungsmessungen erfordern eine davon verschiedene experimentelle Anordnung:

Ultraschall-Impulse (Frequenzen zwischen 5 und 25 MHz) werden über eine Flüssigkeitsvorlaufstrecke (i. a. Wasser) unter einem Winkel, der größer ist als der Winkel für Totalreflexion der Longitudinalwelle, in das Werkstück eingeschallt, so daß sich dort nur noch eine Transversalwelle ausbreitet. Die Körner des Gefüges streuen den Ultraschall in alle Richtungen, zum Teil also auch zurück zum Sender (i. a. ein piezoelektrisches Material wie Quarz, Lithiumsulfat usw.). Die dort ankommenden Hochfrequenz-Signale werden verstärkt, digitalisiert in einem schnellen Analog-Digital-Wandler (etwa 100 MHz Wandelrate) und in einem Rechner abgespeichert. Eine Relativbewegung zwischen Prüfkopf und Werkstück (kreisförmig, elliptisch, linear) liefert zu verschiedenen Zeiten verschiedene Signale aus unterschiedlichen Gefügebereichen. Diese Mittelung ist notwendig, um eventuelle auftretende Interferenzsignale (von besonders günstig oder ungünstig gelegenen Kristalliten) zu eliminieren. Gleichrichtung der Mittelwerte liefert eine Streuamplitudenverteilung A_s(x) als Funktion des Schallaufwegs χ (der über Schallgeschwindigkeit und Laufzeit berechnet wird).

Für homogene Werkstoffe ist