DE2511750C2

DE2511750C2 - Verfahren zur quantitativen werkstoff-korngroessenbestimmung

Info

Publication number: DE2511750C2
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: 1976-10-14
Also published as: US4026157A; FR2304919B1; DE2511750B1; FR2304919A1

Description

<Ιλ =

bestimmt wird.

2. Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Korngröße d in Werkstoffen mit einem Ultraschall-Schwächungskoeffizienten 11 = «!_, + a_s. WO der Absorptionskoeffizient i₄ als in zwei Proben fleich angesehen wird und der Streukoeffizient rj_s die Größe H ■ d* ■ f* = a₄ ■ /⁴ besitzt (mit H = const [Dichte, Schallgeschwindigkeit und Anisotropie]), mittels Messung der gestreuten Schalldruckamplitude ,4_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_s,{0) an den Oberflächen und die jeweiligen Schaildruckamplituden A_Sl{x) gemessen werden (1 = m, n) und daß daraus eiit den ermittelten Schwächungskoeffizienten <₍„, end «„ für die beiden Proben direkt die Streukoeffizienten it_Sm bzw. n_Xn für die beiden Proben aus der Beziehung

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

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

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

uns).

Bei der heule üblichen Gefügebeurteilung mit Ultraschall wird die sich aus Absorption plus Streuung ersehende Schwächung in planparallelen Prüflingen ermittelt und ausgewertet. Streuungsmessungen erfordern eine davon verschiedene experimentelle Anord-

nuna:

■'[I -

AiJO)]

bestimmt werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz so gewähk wird, daß dl?. * 0.1 - 0.5 beträgt.

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 c"ort ankommenden Hochfrequenz-Signale werden verstärkt, digitalisiert in einem schnellen Analog-Digital-Wandlerletwa 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 Knstalliten) zu eliminieren. Gleichrichtung der Mittelwerte liefert eine Streuamplitudenverteilung A_slx) als Funktion des Schallaufwegs χ (der über Schallgeschwindigkeit und Laufzeit berechnet wird).

Für homogene Werkstoffe ist

/l_x(x) = const · \n_se "^x
mit

(i_x = Streukoeffizient,

<i = Schwächungskoeffizient = a_A (Absorption) + n_s.

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

In A_s (x) — — <t χ

die Homogenität an. Abweichungen von dieser Geradenfonn deuten auf Gefugeinhomogenitäten 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. Koppelmann, 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 Mängel.

55

Zu dem Anspruch I sei noch die entsprechende 1 heorie angegeben: Aus den mil den zwei i requen-/eii /', und (, iz. 3. 5 und H) Mll/i gemessenen Funktionen

sich mittel·.

_Μ t.vi - const, ■ , ,i_s. e

i^_:i vl - con·»!. ; .ι... · e '

können tijrch LoiMrithmtcren die Koeffizienten

bestimmt werden.

Dj i. <!. ϊ Korngröße d < Wellenlänge /.) gilt:

N = Jj*.

wird im Rechner

ermittelt. Der quantitative Zusammenhang α., = d* ■ H I Dichte, Schallgeschwindigkeiten. Anisotropie I ist bekannt und kann nach d aufgelöst werden.

Dem Anspruch 2 liegen die folgenden Γ Verlegungen /U Grunde:

Liegen zwei Proben, die mit m und η be/eichnet sesen. des gleichen Werkstoffs mit gleicher Oberflächenbearbeitung, aber mit unterschiedlichem Gefüiiezustand (z. B. durch verschiedene Wärmebehandhingen) vor. so können Messungen mit einer Frequenz allein schon zu i_s, und zu d (/ - m. n) führen:

A_Smi.\) = const · \,:_Sm ■ e"¹- ' -·^η :

A_Smi0) —- const · j 'i_Smi :

••l.s„(.vl — jonst ■ [mi_s-„ ■ e '"^" "■"•'■^I;

A_s„(0) = const ■ \"ä'_Sn .

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

Die Kombination der zwei Wertpapiere liefert In, = !i_Sl '+ U₄. mit 1 = m, n):

J* ■ U

45

50

55

's»

60

wieder die mittleren Korngroßenwerie d bestimmen l.issen

Die notwendigen Werte von // können der 1 heone von B h a i. i a (Ultrasonic Absorption. Clarendon Press. Oxford, 1967. S. 2^K !T.ientn minien und einfach programmiert werden.

Die F.rtindung wird an Hand der A b b. 1 und 2 erläuiert.

Aus der Sinuswelle eines HF-Generators werden durch geeignete Unterbrechung einzelne Impulse wahlbarer Länge und lmpulswiederholirequen/ gebildet (Bursterzeugun^i. die über einen Leistungsverstärker den Prüfkopf zur Aussendung quasimonochromatischer Ultraschailimpuise anregen.

Am Fnde der Wasservorlaufstrecke (s. Abb. 1) !Wasser zeigt keine Streuung) wird zunächst reflektierter Ultraschall gemessen: Dx Schallachse ist /war 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 Proi.endicke (z. Db 20 mm und darunteri um* geringer Schwächung (auf Grund feinkörnigen Gefugcs und niedrig gewählter Frequen/i »Streu-Reflexionen« der Proben-Unterseite, -Oberseite usw.. bis diese ganz gedampft sind. Diese und andere Störungen (/.. 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 Oberflache; iaufwegabhängige Amplitudenabnahme — Schwächung). Fine Relativbewegung zwischen Prüfkopf und Probe während der Messung mittelt über die stets vorhandenen lnterferen/.minima 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. A b b. 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-Avcrager. 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:

I. Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Korngröße d in Werkstoffen mit einem Ultraechall-Schwächungskoeffizienten « = u, -+- <>_s. wo der Absorptionskoeffizient u_A linear von der Uiiraschallfrequenz / abhäne; In₄=JZ₁/) und der Streukoeffizient «_s die ~Größe Hd¹- /⁴ =■ α_Λ-/* besitzt (mit H = const [Dichte. Schallgesch windigkeit und Anisotropie]), mittels Messung der gestreuten Schalldruckamplitude A_six) in Abhängigkeit von der Laufzeit der Schallwelle in der Probe und Mittelung über begrenzte Gefugebereiche durch Relativbewegung zwischen Schallgeber und Probe entweder kontinuierlich oder in diskreten Schritten, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall mit zwei verschiedenen Frequenten /, und /, eingestrahlt und die Schalldruckamplitude für beide Frequenzen /, und f_: gemessen wird und daß daraus die Schwächungskoeffizienten (I₁ und u, für beide Frequenzen /, bzw. /, ermittelt und die Größe U₁ aus der Beziehung