DE3412615A1

DE3412615A1 - Verfahren zur korngroessenbestimmung in einem polykristallinen werkstoff

Info

Publication number: DE3412615A1
Application number: DE19843412615
Authority: DE
Inventors: Walter K. Dr.Rer.Nat. Arnold; Bernhard 6670 St. Ingbert Betz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-04-04
Filing date: 1984-04-04
Publication date: 1985-10-17
Also published as: DE3412615C2

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen Werkstoff Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Verfahren zur Korngrößenbestimmung sind aus der DE-PS 25 11 750 sowie der DE-OS 32 18 674 bekannt.
Bei den bekannten Verfahren wird zur Gefügebeurteilung mittels Ultraschallrückstrahlung die sich aus. der Absorption und der Streuung ergebende Schwächung ausgewertet. Dabei werden die Schwächungskoeffizienten für zwei Frequenzen bestimmt, um schließlich die Korngröße zu berechnen. Die bei dem Verfahren gemäß der DE-PS 25 11 750 erforderliche Relativbewegung zwischen Prüfkopf und Probe wird bei dem aus der DE-OS 32 18 674 bekannten Verfahren infolge einer digitalen Filterung vermieden. Schwierig ist jedoch die Prüfung dünner Bauteile, da die endliche Ultraschallpulsweite eine Auflösung wesentlich unter 0,5 cm nicht zuläßt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es gestattet, Korngrößenbestimmungen auch an dünnen Blechen durchzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Dadurch, daß die Ultraschallerregung mit Hilfe eines Lasers erfolgt, wird ein Ultraschallpuls mit einem Frequenzspektrum erzeugt, so daß die Schwächung mit Hilfe eines Frequenzanalysators für eine Vielzahl von Frequenzen erfaßt werden kann. Aus dem frequenzabhängigen Verlauf der Schwächung wird unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Absorptionskoeffizient sich linear mit der Frequenz und der auch von der Korngröße abhängige Streukoeffizient sich mit der vierten Potenz der Frequenz ändert, die Korngröße unter Berücksichtigung bekannter Materialkenngrößen berechnet.
Von Vorteil ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere, daß weder eine zeitliche noch eine räumliche Mittelung durchgeführt werden müssen.
Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei beliebige aufeinanderfolgende Rückwandechos, vorzugsweise das erste und das zweite Rückwandecho, ausgewertet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Darstellung und Fig. 2 drei auf optoakustischem Weg gemessene Schwächungen als Funktion der Frequenz in einer Stahlprobe.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korngrößenbestimmung dargestellt. Ein Pulslaser 1, beispielsweise ein Q-Switch Rubinlaser, bestrahlt mit kurzen Laserpulsen mit einer Pulsbreite D von beispielsweise 25 nsec, die Oberfläche 6 des zu prüfenden dünnen Prüfobjektes 2 mit einer Dicke x. Bei der Anregung von Ultraschall mit kurzen Laserimpulsen werden nur diejenigen Frequenzen erzeugt, die in der Fouriertransformierten der Laserpulseinhüllenden enthalten sind. Das Maximum der Ultraschalleistung tritt bei einer Frequenz f auf, für die gilt f = 1/27r D. Das Maximum des Frequenzspektrums ist unabhäng von den thermischen Eigenschaften des Prüfobjektes.
Der Pulslaser 1 wird durch eine in Fig. 1 nicht dargestellte Steueranordnung angesteuert, die es gestattet, die Laserpulsweise D so zu wählen, daß das Maximum des Frequenzspektrums des Ultraschallpulses für die Messung der Korngröße d das "beste Ergebnis" ergibt, wobei dies bedeutet, daß der Streuanteil in der Gesamtschwächung möglichst groß ist. Dies ist dann der Fall, wenn zwischen der Wellenlänge 1 und der Korngröße d folgende Beziehung besteht: 0,03 d d 0,3 Entsprechend der zu erwartenden mittleren Korngröße wird die Pulsweise D des Pulslasers 1 eingestellt, wobei berücksichtigt wird, daß die Wellenlänge durch den Quotienten aus der Schallgeschwindigkeit c und der Frequenz f bestimmt ist.
Der an der Oberfläche 6 des Prüfobjektes 2 erzeugte Ultraschall gelangt nach einem der Dicke x des Prüfobjektes 2 entsprechenden Laufweg zum ersten mal zu einem Ultraschall-Aufnehmer 3, der beispielsweise ein piezoelektrischer Aufnehmer, ein Interferometer oder dergleichen sein kann.
Die einzelnen Frequenzkomponenten des an der Oberfläche 6 erzeugten Ultraschallpulses mit dem Frequenzspektrum M(f) ,werden auf ihrem Laufweg, der einem ganzzahligen Vielfachen der Dicke x des Prüfobjektes 2 entspricht, zum Ultraschallaufnehmer 3 oder Empfangsprüfkopf entsprechend dem Beer'schen Gesetz um den Faktor exp (-oC (f) . x) geschwächt. Der Ultraschallschwächungskoeffizient oC (f) ergibt sich aus der Summe des Absorptionskoeffizienten und des Streukoeffizienten gemäß folgender Gleichung: oC(f) = a1 . f + a4 f4 Dieser Gleichung entnimmt man, daß die Absorption linear mit der Frequenz f steigt, während die Streuung mit der vierten Potenz der Frequenz f zunimmt. Für den Koeffizient a4 gilt a4 = 5 . d3, worin d die Korngröße des Prüfobjektes bedeutet und der Streuparameter S eine bekannte Materialkenngröße ist, die von der Dichte, der Schallgeschwindigkeit und der Anisotropie des Materials des Prüfobjektes abhängt.
Eine weitere Veränderung des Frequenzspektrums M(f) erfolgt durch den Ultraschallaufnehmer 3, beispielsweise einem piezoelektrischem Prüfkopf mit Bindung mit der Antwortfunktion Il(f), so daß das Spektrum des Ultraschallpulses G(f) wird.
Der an der Oberfläche 6 erzeugte Ultraschallpuls führt im Ultraschallaufnehmer 3 zunächst zu einem ersten Rückwandecho und infolge von Reflektionen an der Rückwand und der Oberfläche 6 nach Durchlaufen der dreifachen Dicke x zu einem zweiten Rückwandecho. Da hierbei die hochfrequenten Komponenten der Ultraschallpulse anders geschwächt werden als die niederfrequenten Komponenten ist es möglich, aus der zwischen den beiden Rückwandechos auftretenden Veränderung der Spektren (Differenz der Frequenzspektren) die Schwächung oc zur Bestimmung der Korngröße d auszunutzen.
Für die Frequenzspektren des ersten und zweiten Rückwandechos ergeben sich unter Berücksichtigung des Frequenzspektrums M(f) des an der Oberfläche 6 erzeugten Ultraschallpulses und der Antwortfunktion Il(f) folgende zwei Gleichungen: M(f) . Il(f) . exp(-cC(f).x) = G1(f) M(f) . Il(f) . exp(-oC(f).3x) = G2(f) Die Auflösung dieser beiden Gleichungen nach CC (f) ergibt, daß der Schwächungskoeffizient nur noch von der Differenz der Logarithmen von G1 und G2 sowie vom Laufweg 2x abhängt: ln G1(f) - ln G2(f) 2x Zur Bestimmung des Schwächungskoeffizienten als Funktion der Frequenz braucht man also weder das ursprünglich erzeugte Frequenz spektrum M(f) noch die Frequenzantwort vom Ultraschallaufnehmer mit Bindung explizit zu kennen. Aufgrund dieses Sachverhaltes ergibt sich ein sehr einfaches Verfahren, aus zwei Rückwandechos den frequenz abhängigen Schwächungskoeffizienten zu messen und damit Korngrößenbestimmungen in polykristallinen Materialien durchzuführen. Die Schwächungsmessung ist dabei innerhalb jenes Frequenzbandes möglich, in dem die Amplituden von G1(f) und G2(f) genügend stark über dem Rauschen des an den Ultraschallaufnehmer 3 angeschlossenen Verstärkers 4 liegen, der das vom Ultraschallaufnehmer 3 aufgenommene Frequenz spektrum des ersten Rückwandechos und des zweiten Rückwandechos aufgrund eines kurzen Laserpulses zu einem Frequenzanalysator 5 weiterleitet.
Mit Hilfe des Frequenzanalysators 5 werden durch Differenzbildung die Schwächungskoeffizienten für eine Vielzahl von Frequenzen bestimmt, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, die eine auf optoakustischem Weg gemessene Schalldämpfung als Funktion der Frequenz in einer Stahlprobe mit einer metallographisch bestimmten Korngröße von dM = 93 rm darstellt. Die verschiedenen Meßpunkte stellen drei verschiedene Messungen mit jeweils verschiedenen Symbolen an der gleichen Probe dar. Die Linien sind jeweils durch die einzelnen Meßpunkte gelegte Anpassungskurven, die entstehen, wenn durch die einzelnen Meßpunkte einer Messung eine Kurve der Form oC (f) = a1 f + a4 f4 gelegt wird. über eine Minimalisierung der Summe der Fehlerquadrate werden die Koeffizienten a1 und a4 in der sich aus Fig. 2 ergebenden Weise bestimmt. Aus dem Koeffizienten a4 = 5 d3 wird schließlich die Korngröße d berechnet, wobei die Berechnungen mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Rechner durchgeführt werden, in den die bekannte Materialkenngröße des Prüfobjektes 2 als Streuparameter S eingegeben worden ist.

Claims

Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen Werkstoff PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen Werkstoff durch Auswerten der fre quenzabhängigen Schwächung der von einem Ultraschallaufnehmer erfaßten Frequenzkomponenten eines von einem Sendeprüfkopf in den Werkstoff eingeschalten Ultraschallpulses, 'd a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Ultraschall-Erzeugung ein Sendeprüfkopf mit Laseranregung verwendet wird, wobei die Anregungs-Laserpulsweite so eingestellt wird, daß die dem Maximum des Ultraschallpulses zugeordnete Wellenlänge im Werkstoff etwa das Dreifache bis Dreißigfache der erwarteten Korngröße beträgt und daß zur Bestimmung der Schwächung das Frequenz spektrum des Ultraschallpulses nach Durchlaufen zweier unterschiedlich langer Strecken im Werkstoff erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gek en n z ei ch ne t , daß der durch die Differenz zweier erfaßter Frequenzspektren ermittelte Verlauf der von der Frequenz abhängigen Schwächung durch eine Kurve der Form = = al f + a4 f angenähert wird, in der'ob die Schwächung, f die Frequenz und ar sowie a4 Konstanten sind, daß durch eine Minimalisierung der Summe'der Fehlerquadrate 'die Koeffizienten a1 und a4 bestimmt werden und daß schließlich der'Koeffizient a4 zur Berechnung der Korngröße gemäß der Gleichung a4 = 5 d3 verwendet wird, in der d die Korngröße und in der S eine jeweils bekannte Materialkenngröße als Streuparameter ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Laseranregung auf der Oberfläche eines dünnen Bleches erfolgt und mit dem auf der Rückseite des Bleches angeordneten Ultraschall-Aufnehmer zwei beliebige Rückwandechos erfaßt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennze i c h ne t , daß zwei aufeinanderfolgende Rückwandechos ausgewertet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g ek e n n z ei ch n e t , daß das erste und das zweite Rückwandecho erfaßt werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h ge k e n n ze ic h n e t , daß zur Laseranregung ein.Q-Switch Rubinlaser verwendet wird.