DE2609125B1 - Verfahren zur quantitativen bestimmung der korngroesse - Google Patents

Description

• Mit x = n.lX und e2@ 1x # 1 ergibt sich daraus folgt: IsM(X) - ISE(X) = c2ISE(x) # e 2@s#@, ISM(X) = ISE(X) (1 + C2 # e 2@s#x).
• Vom Empfänger wird eine dem Schalldruck proportionale Streuamplitude As gemessen: AsM(X) = ASE(X)(1+C2 e2x5X)1/2. (2) Diese Gleichung kann nach a5 aufgelöst und daraus entsprechend der Beziehung a5 = Hd3f4 die Korngröße ermittelt werden, wobei f die eingestrahlte Frequenz und H = f (Dichte, Schallgeschwindigkeit, Anisotropie) des ermittelten Werkstoffes sind.
• Die notwendigen Werte von H können der Theorie von B h a t i a (Ultrasonic Absorption, Clarendon Press, Oxford, 1967, S. 278ff.) entnommen und einfach programmiert werden.
• A b b. 2 zeigt ein Beispiel für Streuungsmessungen an einem homogenen Stahlgefüge, wobei die Untersuchung mit 6 MHz (Transversalwellen) zu einer Geraden in der halblogaritlnnischen Darstellung führt (Logarithmieren der Gleichung (1)). Bei 10 MHz (Transversalwellen) zeigt sich schon ausgeprägte Mehrfachstreuung. (In ASE(X) ist gestrichelt miteingezeichnet.) Die Erfindung wird weiter anhand der A b b. 3 und 4 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 (siehe A b b. 3) (Wasser zeigt keine Streuung) wird zunächst reflektierter Ultraschall (US) 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-Am- plitude erfolgt der Anstieg zur Streuamplitude As 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 (aufgrund feinkörnigen Gefüges und niedrig gewählter Frequenz) »Streu-Reflexion« 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. 3 gezeigte Streuamplitudenverlauf ergibt.
• Einer logarithmischen Verstärkung der empfangenen Streusignale folgt über einen Anpaßverstärker die Digitalisierung dieser Signale in einem Analog-Digital-Wandler (siehe A b b. 4). 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.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Korngröße in Werkstoffen mit einem Ultraschall-Schwächungskoeffizienten a = aA + as, wo der Streukoeffizient as die Größe H d3 = a4 # f4 besitzt mit H = const [Dichte, Schallgeschwindigkeit und Anisotropie], aA = Absorptionskoeffizient und f = Ultraschallfrequenz), mittels Messung der gestreuten Schalldruckamplitude A5(x) (mit x = Laufweg der Schallwelle) 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, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß Ultraschall mit einer einzigen Frequenzf eingestrahlt wird und aus der Beziehung AsM(X) = ASE(x)(1 + c2 # e 2xs # x)½ der Streukoeffizient as bestimmt wird, wobei ln ASE (x) durch die Tangente an die Funktion In AsM (x) für x 0 ermittelt wird und der Index M Mehrfachstreuung, der Index E hingegen Einfachstreuung bedeutet.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des einzigen Patentanspruches. Es ist ein verbessertes Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Korngröße in Werkstoffen gemäß der DT-PS 2511750 bekannt, bei dem jedoch entweder mit zwei verschiedenen Frequenzen eingestrahlt werden muß oder an zwei verschiedenen Proben mit einer Frequenz gemessen wird.

   Die Erfindung bezweckt, das Verfahren noch einfacher zu gestalten und wird im Patentanspruch beschrieben. Das Ergebnis der folgenden Betrachtung zur Mehrfachstreuung ermöglicht es, mit einer Messung und ohne Voraussetzung bzgl. der Absorption den Streukoeffizienten zu ermitteln und somit die mittlere Korngröße des untersuchten Werkstoffes zu errechnen.

   Theorie Die Schallintensität I0, die am Ort x = 0 eingeschallt wird, nimmt mit zunehmedem Laufweg x entsprechend I(x) = ab, wobei Homogenität des Gefüges (a x [x]) vorausgesetzt wird. x = Schwächungskoeffizient für Schalldruck, = aA (Absorption) + as (Streuung).

   Berücksichtigt man für die Streuung auf ihrem Weg vom Entstehungsort im Werkstoff zum Empfänger die Schwächung, nicht aber die Erzeugung neuer, meßbarer Streuung, so ergibt sich insgesamt für die ge- streute Intensität bei »Einfach-Streuung«: I55(x) = cl 2ase-2EX bzw. für eine Messung der Streuamplitude As c1, c; = f(lo, Impulsdauer, Empfängerfläche, Nah-bzw. Fernfeldbedingungen).

   Mit anderen Worten: Bei der Einfachstreuung gelangt ein bestimmter Anteil der vom Ultra-Schall-Impuls im Gefüge erzeugten Streuung zum Empfänger.

   Die durch Streuung dieses Anteils zusätzlich gewonnene Streuintensität wird vernachlässigt.

   Bei der Mehrfachstreuung ISM dagegen wird entlang des in n Schritte # x unterteilten Laufweges x immer wieder ein meßbarer Anteil addiert. Wir beginnen bei x = 0: ISE(X = °) = ISO = C1 # 2αs, IsM(X=O)= c1 2αS # (1 + c2), mit einer zunächst nicht näher spezifizierten Konstanten c2. Die Definition des Ursprungs x = 0 ist aus A b b. 1 ersichtlich.

   ISM(0) - ISE(O) = C2 # ISE(0).

   Nach # X (2α#x # 1): ISM(#x) - ISE(#x) = c2ISE(0)e-2@1x + 2αS#x # c2ISE(0) C2IsE(Ax) + 2αS#xc2ISE(#x) # e2@ Ix = c2ISE(#x) # (1 + 2αS#xe2@ Ix).

   Nach weiterem 1 x: ISM(2#x) - ISE(2#x) = c2ISE(2#x) # (1 + 2αS#xe2@ 1x)2.

   Nach n Schritten x: ISM (n 2 x) - ISE(n#x) = C2ISE(n#x) # (1 + 2xS.lxe2@ 1x)n.