DE2652210A1

DE2652210A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die zerstoerungsfreie werkstoffpruefung mittels ultraschall

Info

Publication number: DE2652210A1
Application number: DE19762652210
Authority: DE
Inventors: Marie-Claude Deblaere; Christian Falmbard; Alain Lambert
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 1975-11-20
Filing date: 1976-11-16
Publication date: 1977-06-08
Also published as: JPS5264986A; FR2349139B1; SE7612958L; FR2349139A1; GB1555699A; SE419580B; US4098129A; CA1067197A; IT1063900B; JPS5731099B2

Description

Die Erfindung betrifft zerstörungsfreie Materialprüfverfahren, bei denen Ultraschallwellen verwendet werden.

Bekanntlich gibt die Untersuchung von Ultraschallwellenbündeln, die an der Oberfläche von Materialien reflektiert werden, eine genaue Anzeige für die mechanischen Eigenschaften der Oberflächenschichten dieser Materialien und insbesondere über Änderungen des Elastizitätsmoduls bzw. Young-Moduls, wie sie sich durch eine thermische Materialbehandlung ergeben können.

So ist bereits ein Verfahren bekannt, welches im wesentlichen darin besteht, auf die Materiaioberflache ein Ultraschallwellenstrahlenbündel unter einem variablen Einfallswinkel zu richten, die Energie des reflektierten Strahlenbündels zu messen und den kritischen Einfallswinkel zu bestimmen, für den diese Energie oder die Amplitude der reflektierten Wellen durch ein Minimum geht. Dieser kritische Winkel entspricht dem Auftreten von Rayleigh-Wellen. Aufgrund seines Wertes kann gegebenenfalls die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Rayleigh-Ultraschallwellen in der Materialoberfläche berechnet werden.

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Diese Geschwindigkeit und somit auch der gemessene kritische Winkel hängen von der Oberflächenhärte des Materials ab. Unter Berücksichtigung der Stärke der Oberflächenschicht, die mit der Fortpflanzung der Rayleigh-Wellen in Zusammenhang steht, benutzt man beispielsweise das Verfahren, um über den so bestimmten Härtewert die Härtungstiefe eines Stahlwerkstücks zu beurteilen, das einer Einsatzhärtung oder einer anderen thermischen Behandlung unterworfen wurde.

Trotz des Vorteils, den dieses Verfahren bietet, ist es hinsichtlich seiner Anwendungszwecke dadurch begrenzt, daß die gemessene Härte an jeder Stelle der Oberfläche des Materials immer einem Mittelwert für die Materialstärke entspricht, der in der Messung eingeschlossen ist. Das Verfahren ermöglicht ein Prüfen der Änderungen der Härte als Funktion der Tiefe nicht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien mittels Ultraschallwellen zu schaffen, welches auch die Untersuchung von Änderungen der mechanischen Eigenschaften längs der Tiefe ausgehend von der Materialoberfläche ermöglicht. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für die Untersuchung von Werkstücken aus Stahl, die einer Einsatzhärtung unterworfen wurden. Das Verfahren ermöglicht dann die Überprüfung der Homogenität der Härtungsschicht in der Tiefe sowie von Änderungen der Struktur und der mechanischen Eigenschaften in der Tiefe dieser Schicht und in ihrer Nähe.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß auf die Oberfläche eines Materials ein einfallendes Ultraschallwellenbündel gerichtet und das von der Oberfläche reflektierte Bünde gemessen wird, wobei einerseits der Einfallswinkel und ande arseits die Wellenlänge der Ultraschallwellen geändert werden, und daß für wenigstens zwei verschiedene

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Wellenlängen der kritische Einfallswinkel bestimmt wird, für den die Energie des reflektierten Bündels durch ein Minimum geht.

Der so bestimmte Winkel für jede benutzte Wellenlänge ist der kritische Winkel, bei welchem Rayleigh-Wellen auftreten. Der Winkel ist eine Funktion der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen in einer Oberflächenschicht des Materials mit einer Stärke, die im wesentlichen gleich der entsprechenden Wellenlänge ist.

Es ist natürlich vorteilhaft, auf diese Weise die kritischen Winkel in einem bestimmten Punkt der Materialoberfläche für eine große Anzahl von Wellenlängen, die fortschreitend variabel sind, festzustellen. Von den erhaltenen Ergebnissen kann man die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen oder die mechanischen Eigenschaften, die ihrerseits eine Funktion dieser Geschwindigkeit sind, für fortlaufend bzw. zunehmend variable Stärken des Materials an der betrachteten Stelle ableiten, wobei die Stärken immer ausgehend von der Oberfläche gerechnet v/erden. Durch Differenzierung kann man gegebenenfalls den Anteil der aufeinanderfolgenden Materialschichten bestimmen.

Die Erfindung eignet sich vorteilhafterweise für die Prüfung von Werkstücken aus Stahl, die einer Oberflächenhärtungsbehandlung unterworfen wurden. Derartige Behandlungen wirken sich im allgemeinen in der Tiefe von Stärkenschichten aus, die in der gleichen Größenordnung wie die Ulatraschallwellenlängen in diesem Material liegen, d. h. einige Millimeter, während die daraus resultierenden Strukturänderungen wesentliche Änderungen des Elastizitätsmoduls und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen mit sich bringen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Überprüfung von Änderungen in der Tiefe der gehärteten Struktur, während die bisher bekannten Ultraschallprüfverfahren nur die Abschätzung einer mittleren Härtungstiefe gestatteten.

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Um die Störungsänderungen des gemessenen kritischen Winkels oder der entsprechenden Fortpflanzungsgeschwindigkeit aufzuklären, ist es im allgemeinen vorteilhaft, für jeden Wellenlängenwert die Ergebnisse, die man für das zu untersuchende Material erhält, von dem man annimmt, daß es in der Tiefe auf Stärkenschichten der gleichen Größenordnung wie die Wellenlängen nicht homogen ist, mit den Ergebnissen zu vergleichen,die man für ein analoges Material erhält, das jedoch homogen ist. So ist beispielsweise der Unterschied zwischen den Ergebnissen, die man für ein Werkstück aus Stahl, das einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, und denen, die man mit einem analogen, nicht gehärteten Werkstück erhält, charakteristisch für die Auswirkung der Härtung. Die Änderungen dieses Unterschiedes mit der Wellenlänge geben eine Darstellung der Änderungen der Stärke der gehärteten Struktur über der Tiefe.

Eine bevorzugte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man dem einfallenden Strahlenbündel aufeinanderfolgende verschiedene Einfallswinkel gibt, die sich zunehmend ändern, daß man für jeden Wert des Einfallswinkels die Wellen des reflektierten Bündels in Form von elektrischen Signalen abhängig von ihrer Amplitude für Wellenzüge bestimmt, die sich voneinander durch ihre Frequenzen in einem bestimmten Frequenzband unterscheiden, daß die Signale als Funktion der Frequenz verteilt werden und daß für jeden Frequenzwert automatisch die Minimumsamplitude bestimmt und der Wert des entsprechenden Einfallswinkels registriert wird.

Die Verteilung der Signale erfolgt insbesondere bei einem Verfahren, welches elektronische Schaltungen in Analogbauweise verwendet, um die Energieminima zu bestimmen, wobei für jeden Frequenzwert eine andere Schaltung verwendet wird. Die Signale können auch in irgendeinem numerischen Rechner verwertet werden, der für die Berechnung der Amplitudenminima

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programmiert ist. Die verschiedenen Frequenzwerte können auf das Niveau e'er Äb^trahlung oder der Messung begrenzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die zerstörungsfreie Materialprüfung zeichnet sich durch ein Goniometer mit Einrichtungen zum Aussetzen eines einfallenden Ultraschallstrahlenbündels auf die Materialoberfläche und zum Feststellen des von der Oberfläche reflektierten Bündels und mit einer zugeordneten Einrichtung, um den Einfallswinkel des zur Oberfläche gerichteten Strahlenbündels zu ändern, und durch Einrichtungen zum Ändern der Wellenlänge der genannten Wellen und für wenigstens zwei verschiedene Wellenlängen zum Bestimmen des kritischen Einfallswinkels aus, für den die Energie des reflektierenden Strahlenbündels durch ein Minimum geht.

Erfindungsgemäß ist es möglich, Messungen durchzuführen, indem aufeinanderfolgende verschiedene Frequenzen oder Wellenlängen festgelegt werden und für jede von ihnen einzeln eine vollständige Winkelabtastung des Strahlenbündels bewirkt wird, um den entsprechenden kritischen Winkel festzustellen. Diese Verfahrensweise ist langwierig. Die erhaltenen Ergebnisse sind relativ ungenau, denn es ist schwierig, für verschiedene Frequenzen aufeinanderfolgende identische Winkelabtastungen zu verwirklichen.

Es wird deshalb bevorzugt, die Messungen in einer einzigen Winkelabtastung auszuführen, wobei für jeden der aufeinanderfolgenden verschiedenen Einfallswinkelwerte eine Frequenzabtastung des Ultraschallbündels erfolgt und dann die festgestellten Amplituden als Funktion der Frequenz verteilt werden.

In diesem Fall verwendet man vorteilhafterweise eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

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welche automatisch arbeitende Einrichtungen für die Steuerung und Synchronisation eines Motors, der Schritt für Schritt eine Abtastung des Einfallswinkels ermöglicht, eines Generators, der für jeden Schritt eine Frequenzabtastung des Ultraschallbündels ermöglicht, eines Signalempfängers für die Feststellung der Amplitude proportional zur Energie des refklektierten Strahlenbündels, wobei die Werte der Amplitude als Funktion der Frequenzen verteilt werden, und eines Verarbeitungsgerätes aufweist, welches automatisch ausgehend von diesen Amplitudenwerten und den aufeinanderfolgenden Einfallswinkelwerten den einem Minimum der Energie für jede Frequenz entsprechenden Einfallswinkel bestimmt. Anstelle der schrittweisen Abtastung des Einfallswinkels kann eine kontinuierliche langsame Abtastung vorgesehen v/erden, die dann einer schrittweisen Verschiebung äquivalent ist, wenn die Frequenzabtastung durch den Generator bezogen auf die Winkelabtastung schnell ist.

Um die Frequenzen zu definieren bzw. zu beschränken, kann ein Generator verwendet werden, der aufeinanderfolgende Wellenzüge erzeugt, die sich voneinander durch ihre Frequenzen in einem bestimmten Frequenzband unterscheiden. Man kann einen Generator verwenden, der ein einziges Signal erzeugt, welches alle Frequenzinformationen enthält, wobei dem Generator ein Empfänger zugeordnet ist, der frequenzgesteuerte Filter hat.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines Ultraschallgenerators entsprechend der Position 7 von Fig. 1.

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Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eine^c Empfängers entsprechend der Position 3 von Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung von identischen verschiedenen Schaltungen, von denen jede für eine Frequenz verwendet wird, die in dem Verarbeitungsgerät entsprechend der Position 9 von Fig. 1 vorgesehen sind.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild für eine Sichtanzeige.

Fig. 6 zeigt Beispiele von Kurven, die man bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält.

Die insgesamt in Fig. 1 schematisch gezeigte Vorrichtung ermöglicht es, auf die Oberfläche eines nicht gezeigten Werkstückes ein einfallendes Ultraschallstrahlenbündel zu richten und das von der Oberfläche reflektierte Strahlenbündel zu messen. Die dafür verwendeten Einrichtungen umfassen ein an sich bekanntes Goniometer, wie es beispielsweise in den FR-PSn 7o 2o 3o2, 71 34 37o und 74 o9 182 beschrieben ist.

Das Goniometer 1 hat zwei Ultraschallsonden, nämlich eine Sendersonde 2 und eine Empfängersonde 3, die dauernd so ausgerichtet sind, daß die Sonde 3 die von der Oberfläche des untersuchten Werkstücks reflektierten Strahlen empfängt, wenn ein einfallendes Bündel in Richtung eines festen Punktes des Werkstücks von der Sonde 2 ausgesandt wird. Die beiden Sonden können in einer einzigen Sonde zusammengefaßt sein, die abwechselnd die beiden Funktionen erfüllt, wenn das Goniometer mit einem zylindrischen Spiegel versehen ist, der die Rückkehr des Strahlenbündels auf einer umgekehrten Bahn ermöglicht. Die Sonde 3 hat üblicherweise einen Detektor, der ein elektrisches Signal als Funktion der Amplitude der empfangenen Ultraschallwellen liefert.

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Das Goniometer 1 hat einen Motorantrieb. Der Motor 4 ist ein Elektromotor, der gesteuert von einem elektrischen Steuersignal die Verschiebemechanismen der Sonden antreibt, wie dies in den vorstehend genannten FR-PSn beschrieben ist. Dadurch kann der Einfallswinkel des Strahlenbüridels auf die zu untersuchende Oberfläche variiert"werden. Ein Meßfühler 5, der auf die Position der Sonden anspricht, liefert ein elektrisches Signal als Funktion des Wertes des Einfallswinkels Θ. Das Steuersignal des Motors wird von einem zentralen automatischen Steuersystem 6 geliefert. Es bestimmt eine schrittweise Abtastung des Einfallswinkels.

Das Steuersystem 6 gewährleistet auch die Steuerung und die Synchronisation der verschiedenen Geräte, welche die dem Goniometer zugeordnete elektronische Anordnung bilden. Diese Geräte umfassen im wesentlichen einen Ultraschallgenerator 7, der für jede Winkelstellung der Wellen ein oder mehrere Steuersignale an die Sendersonde 2 abgibt, wodurch die Frequenzabtastung des Ultraschallbündels möglich ist, einen Empfänger 8, der das Amplitudensignal proportional zu der von der Sonde 3 gemessenen Energie empfängt und die Informationen, die sie enthält, als Funktion der Frequenz verteilt, ein Verarbeitungsgerät 9, das ausgehend von diesen Informationen und den aufeinanderfolgenden Werten des Einfallswinkels θ den dem Minimum der Energie für jede Frequenz entsprechenden Einfallswinkel bestimmt, und eine Einrichtung 1o zum Sichtbarmachen der Ergebnisse.

Die Frequenzabtastung erfolgt so, daß ein Frequenzbereich überdeckt wird, der sich beispielsweise von etwa 1 bis 1o MHz erstreckt. Dieser Bereich eignet sich besonders gut zur Untersuchung von gehärteten Werkstücken aus Stahl. Eine solche Abtastung kann auch beispielsweise durch elektrische Impulse mit einem breiten Energieband und von kurzer Dauer erhalten v/erden, beispielsweise von Impulsen von einigen Hunderten von Volts und 5o bis 1oo Nanosekunden Dauer, die

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durch das Schalten eines schnellen Thyristors erhalten werden. In diesem Fall ist jeder Impuls breitbandig und enthält alle Frequenzinformationen. Die Wahl der Werte der betrachteten Frequenzen für die verschiedenen Messungen erfolgt dann durch Frequenzfilter auf dem Niveau des Empfängers 8. Die Abtastung kann auch darin bestehen, daß sinusförmige iiellenzüge kurzer Dauer erzeugt werde, beispielsweise mit einer Dauer von 1o Mikrosekunden, deren Frequenz sich etwas bei jedem Rücklauf so ändert, daß fortschreitend der ganze, für die Untersuchung geeignete Frequenzbereich überdeckt wird. Diese Wellenzüge können beispielsweise mit einem programmierbaren Funktionsgenerator erhalten werden, dem ein Verstärker mit breitem Energieband nachgeschaltet ist.

Bei einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens besteht der Ultraschallgenerator 7, wie sich aus Fig. 2 ergibt, aus einer Reihe von acht Oszillatoren, die von zwei Quarzen 12 und 13 mit einer Frequenz von 1o MHz bzw. 7 MHz gesteuert werden, und aus Frequenzteilern 14 und 15, die sinusförmige Signale mit folgenden Frequenzen erzeugen: 1o MHz, 7 MHz, 5 MHz, 3,5 MHz, 2,5 MHz, 1,75 MHz, 1,25 MHz und 0,875 MHz. Ein Schalter 16, der von dem zentralen System 6 gesteuert wird, ermöglicht, daß man nacheinander diese acht Frequenzen mit einem Rücklauf bzw. einer Folge von 5oo Mikrosekunden erhält. Ein Analogtor 17, das von dem zentralen System 6 gesteuert wird, läßt diese Signale alle 5oo Mikrosekunden nur während 1o Mikrosekunden durch. Das erhaltene Signal wird somit von acht aufeinanderfolgenden Wellenzügen mit einer Dauer von 1o Mikrosekunden gebildet. Es wird über einen Breitbandverstärker 8 der Sendersonde zugeführt. Die vollständigen Zyklen der acht Frequenzen folgen mit einer Rücklaufzeit bzw. in einer Folge von 5 ms aufeinander.

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Die Steuerung des Motors 4 des Goniometers ist zu der des Generators 7 derart synchronisiert, daß zwischen jedem Steuerimpuls des Systenis6 für den Motor und dem Anfang des Frequenzzyklus eine Zeit von einigen 1o Mikrosekunden vorgesehen ist, damit dem Motor die Zeit verbleibt, eine Anfangsumdrehung auszuführen.

Der Empfänger 8 ermöglicht die Aufteilung des Amplitudensignals der Empfängersonde zwischen den verschiedenen Frequenzen. Er kann so gebaut sein, daß er selbst die Wahl der Frequenzen gewährleistet, beispielsweise mittels eines einstellbaren Filters, dessen Filterfrequenz so programmiert ist, daß sie etwas bei jeder Folge bzw. bei jedem Rücklauf anders ist, wobei die Amplituden der erhaltenen Signale für jede Frequenz und für jeden Einfallswinkel gespeichert werden. Die Filterung kann auch durch eine Reihe von Bandfiltern mit Mittelfrequenz erfolgen, die sich von Filter zu Filter etwas unterscheiden und die parallel angeordnet sind. In diesem Fall werden die Signale in so viele Bahnen aufgetrennt, wie es erforderlich ist.

In Verbindung mit dem Generator von Fig. 2 wird vorteilhafterweise ein Empfänger verwendet, dessen Schaltbild in Fig. 3 gezeigt ist. Bei jedem Abtastschritt des Einfallswinkels wird das Signal der Amplitude A (Θ), das für die Energie des gemessenen Bündels steht, durch einen breitbandigen Vorverstärker 2o verstärkt, anschließend gleichgerichtet und bei 21 gefiltert, damit man ein Signal erhält, bei dem nur die umhüllenden der negativen Kalbperioden der Wellenzüge vorhanden sind. Ein von dem zentralen System 6 gesteuerter Schalter 22 gewährleistet die Aufteilung der verschiedenen Wellenzüge, die in der Zeit deutlich getrennt sind, auf acht verschiedene Wege, die jeweils für die verschiedenen Frequenzen Fi verwendet werden. Auf jedem Weg wird die Amplitude des erhaltenen Echos bei 23 gemessen

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und bei 24 einer ununterbrochenen positiven Spannung zuge fügt, um die Änderung des Signals umzukehren. Die Amplitude, die sich stufenweise mit dem Einfallswinkel θ ändert, indem sie durch ein dem kritischen Einfallswinkel entsprechendes Minimum geht, wird so in ein Signal A (Θ, Fi) umgeformt, welches ein Maximum darstellt.

Die Bestimmung des kritischen Winkels erfolgt in einem Verarbeitungsgerät 9 durch ein elektronisches, vollständig analoges Verfahren. Dieses Gerät hat acht identische Schaltungen zur Feststellung des Maximums und zur Bestimmung des kritischen Winkels, von denen in den Schaltplan von Fig. 4 nur eine gezeigt ist. Diese Schaltungen behandeln jeweils die verschiedenen Signale Ä (6,Fi), die den verschiedenen Frequenzen Fi und einer vollständigen Abtastung des Einfallswinkels θ entsprechen.

In jeder Schaltung wird die umgekehrte Amplitude A (Θ, Fi) am Eingang eines Komparators eingeführt, der die Amplitude mit der Ausgangsspannung eines Digital-Analog-Wandlers 27 vergleicht. Eine Schaltung ET 28 gestattet den Durchgang der Impulse eines Taktgebers 29, solange die Spannung A (Θ, Fi) größer ist als die Spannung am Ausgang des Wandlers. Ein Zähler 3o zählt diese Impulse. Der Ausgang dieses Zählers ist mit dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers 27 verbunden. Gleichzeitig wird ein Signal proportional zu den aufeinanderfolgenden Werten des Einfallswinkels θ aus dem Meßfühler 5 (Fig. 1) durch einen Komparator 31, ein Tor ET 32, einen Taktgeber 33, einen Zähler 34 und einen Digital-Analog-Wandler 35 in analoger Weise behandelt. Außerdem ist jedoch ein Tor ET 36 vorgesehen, welches die Zählung gleichzeitig an beiden Schaltungen ermöglicht. Daraus ergibt sich, daß die Zählung unterbrochen wird, wenn die Spannung A (Θ, Fi) abnimmt, nachdem sie durch ein Maximum gegangen ist. Der Zähler 35 behält dann den Wert des entsprechenden Einfallswinkels in Erinnerung bzw. im Speicher, welcher der

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kritische Winkel θ (Fi) ist, der der in dieser Schaltung betrachteten Frequenz Fi entspricht.

Darüber hinaus kann der Wert θ (Fi) bei 37 gespeichert werden. Der Speicher 37 dient zum Registrieren des Wertes des kritischen Winkels, den man bei einer ersten Reihe von Messungen während der Prüfung eines Peferenzwerkstuckes erhält. In einer zweiten Stufe wird das zu untersuchende Werkstück mit dem Referenzwerkstück verglichen. Ein Komparator 39, der das Ausgangssignal des Wandlers 33, nämlich θ (Fi), und das Ausgangssignal θ eines Digital-Analog-Wandlers 3 8 des im Speicher 37 gespeicherten Wertes empfängt, liefert ein Signal, welches die Differenz Δ θ (Fi) darstellt. Diese Operation wird gleichzeitig in den verschiedenen Schaltungen, die für die verschiedenen Frequenzen verwendet werden, ausgeführt.

Als Variante des vorstehend beschriebenen Analogverfahrens zur Feststellung des Energieminimums kann ein numerisches Verfahren verwendet werden, das darin besteht, daß die Amplitude des Signals für jede Frequenz und für jeden Winkel in eine numerisjche Form gebracht wird, daß dieser Amplitudenwert mit dem entsprechenden Wert verglichen wird, der für die gleiche Frequenz, jedoch für einen vorhergehenden Winkel erhalten wird, und daß der Wert anstelle des vorhergehenden Wertes gespeichert wird, wenn er kleiner ist.

Die in Fig. 5 gezeigte Einrichtung für die Sichtbarmachung besteht im wesentlichen aus einer Kathodenstrahlröhre 43 und aus einem Schalter 41, der nacheinander die verschiedenen Spannungen proportional zu Δθ (Fi) für die verschiedenen Frequenzen einem Verstärker 42 zuführt, der die vertikalen Ablenkplatten der Röhre 43 steuert, während ein Zeitablenkgenerator in Stufen die horizontale Bahn abtastet bzw. ablenkt. Man sieht so eine Reihe von acht Linien, deren Amplitude Δ. θ darstellt, wobei jede Linie für eine Frequenz charakteristisch ist.

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Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung kann die Anordnung des vorstehend beschriebenen Verarbeitungsgerätes 9 durch einen numerischen programmierten Rechner ersetzt werden, um die Verarbeitung der verschiedenen Werte A (Θ, Fi) zu bewirken. Die Ergebnisse können dann direkt als Änderung der Fortplanzungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen gegeben v/erden, die ausgehend von den Änderungen der kritischen Winkel durch die Gleichung

V = V₂ / sin 9_c

berechnet wurden, wobei V₂ die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in dem Koppelungsmedium zwischen den Sonden des Goniometers und des geprüften Werkstücks ist.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für Kurven, die man bei der Prüfung von gehärteten Werkstücken aus Stahl erhalten kann. Die Kurve im unteren Teil der Figur zeigt die Änderungen

der Differenz Δ θ als Funktion der Frequenz F, wie sie aufgrund der von der Kathodenstrahlröhre erhaltenen Sichtbarmachung aufgezeichnet ist. Die Kurven des oberen Teils stellen die Änderungen dar, die dem kritischen Winkel für das Bezugswerkstück θ_ und das zu untersuchende Werkstück θ entsprechen. Die Kurve Δ. θ ermöglicht den Nachweis von Werkstücken, die einen ungewöhnlichen Härtegradienten aufweisen, nämlich eine geringe oder eine große Härte der gehärteten Schicht, eine Entkohlung oder eine sehr langsame Härteänderung, wobei jeder Frequenzwert die Stärke der Oberflächenschicht bestimmt, die bei der entsprechenden Messung berücksichtigt wird.

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4t

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren für die zerstörungsfreie Materialprüfung, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Oberfläche eines Materials ein Bündel einfallender Ultraschallwellen gerichtet wird und daß das von der Oberfläche reflektierte Bündel gemessen wird, wobei einerseits der Einfallswinkel und andererseits die Wellenlänge der Ultraschallwellen variiert werden und daß für wenigstens zwei verschiedene Wellenlängen der kritische Einfallswinkel bestimmt wird, für den die Energie des reflektierten Strahlenbündels durch ein Minimum geht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Kurve für die Änderung des kritischen Winkels oder einer davon abhängigen Größe, wie der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen, als Funktion der Wellenlänge oder einer davon abhängigen Größe, wie der bei den Messungen berücksichtigten Materialtiefe, erstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ergebnisse, die für ein nicht homogenes Material in der Tiefe auf Stärken in der Größenordnung der Wellenlängen erhalten werden, mit den Ergebnissen verglichen werden, die für ein analoges homogenes Material erhalten werden, wobei insbesondere die für ein Werkstück aus Stahl erhaltenen Ergebnisse, das einer Härtungsbehandlung unterworfen wurde, mit einem analogen, nicht gehärteten Werkstück verglichen werden.

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4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß dem einfallenden Bündel aufeinanderfolgende verschiedene, fortschreitend variable Einfallswinkel erteilt v/erden, daß für jeden Wert des Einfallswinkels die Wellen des reflektierten Bündels in Form von elektrischen Signalen als Funktion ihrer Amplitude für die Wellenzüge festgestellt werden, die sich voneinander durch ihre Frequenzen in einem festgelegten Frequenzband unterscheiden, daß die Signale als Funktion der Frequenz verteilt werden und daß für jeden Frequenzwert automatisch das Minimum der Amplitude bestimmt und der Wert des entsprechenden Einfallswinkels registriert wird.

5. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet ddurch ein Goniometer (1) mit Einrichtungen (2, 3), um auf die Oberfläche eines Materials ein einfallendes Strahlenbündel von Ultraschallwellen zu richten und um das von der Oberfläche reflektierte Strahlenbündel festzustellen, und mit zugeordneten Einrichtungen (4, 5), um den Einfallswinkel des Bündels auf die Oberfläche zu variieren, und durch Einrichtungen zum Ändern der Wellenlängen der Wellen und für wenigstens zwei Wellenlängen zum Bestimmen des kritischen Einfallswinkels, für den die Energie des reflektierten Bündels durch ein Minimum geht.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch automatische Einrichtungen (6) zum Steuern und Synchronisieren eines Motors (4), der eine langsame oder schrittweise Abtastung des Einfallswinkels gewährleistet, durch einen Generator (7), der für jeden Schritt oder schnell bezüglich der Winkelabtastung eine Freguenzabtastung des Ultraschallbündels ermöglicht, durch einen Signalempfänger (8) für die Feststellung der Amplitude proportional zur Energie des reflektierten Bündels, wobei die Amplitudenwerte als Funktion der Frequenzen aufgeteilt werden, und durch ein Verarbeitungsgerät (9), welches automatisch ausgehend von dem Amplitudenwerten und den aufeinanderfolgenden Werten des Einfallswinkels den entsprechenden Einfallwinkel mit dem Minimum an Energie für jede Frequenz feststellt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Verarbeitungsgerät (9) verschiedene identische Schaltungen (Fig. 4) aufweist, von denen jede für die Verarbeitung von Informationen verwendet wird, die sich auf eine festgelegte Frequenz beziehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verarbeitungsgerät (9) von einem numerischen Rechner gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Verarbeitungsgerät (9) Einrichtungen zum Speichern der Werte der für verschiedene Frequenzen während der Prüfung eines Bezugswerkstücks bestimmten kritischen Winkel und zum Bestimmen der Differenz zwischen diesen Werten und neuen gemessenen Werten jeweils für die gleichen Frequenzen bei der Prüfung eines zu untersuchenden Werkstücks / aufweist.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Generator (7) und der Empfänger (8) synchronisierte Schalteinrichtungen zum Senden und Empfangen bzw. Aufteilen von aufeinanderfolgenden Wellenzügen mit etwas voneinander verschiedenen Frequenzen für jeden Abtastschritt des Einfallswinkels aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Generator ein breitbandiger Impulsgenerator ist, der alle genannten Frequenzen enthält, und daß der Empfänger Bandfilter für zentrale Frequenzen aufweist, die sich etwas voneinander unterscheiden und die genannten Frequenzen begrenzen.

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