DE3412615C2 - Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen Werkstoff - Google Patents
Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen WerkstoffInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem dünnen Blech aus einem polykristallinen Werkstoff erfolgt ein Auswerten der frequenzabhängigen Schwächung der Frequenzkomponenten eines in den Werkstoff eingeschallten Ultraschallimpulses, der mit Hilfe einer Laseranregung erzeugt wurde. Die Anregungs-Laserpulsweite wird dabei so eingestellt, daß die dem Maximum des Frequenzspektrums des Ultraschallpulses zugeordnete Wellenlänge im Werkstoff etwa das Dreifache bis Dreißigfache der erwarteten Korngröße beträgt. Zur Bestimmung der Schwächung wird das Frequenzspektrum des Ultraschallpulses des ersten und zweiten Rückwandechos erfaßt. Aus der frequenzabhängigen Funktion der Schwächung wird schließlich die Korngröße des polykristallinen Werkstoffes berechnet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Verfahren zur Korngrößenbestimmung sind aus der DE-PS 25 Π 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 I 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 Frequenzanalysator 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.
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
ίο Rückwandechos, vorzugsweise das erste und das zweite
Rückwandecho, ausgewertet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Veriahrens
in schematischer Darstellung und
F i g. 2 drei auf optoakustischem Weg gemessene Schwächungen als Funktion der Frequenz in einer
Stahlprobe.
In F i g. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korngrößenbestimmung
dargestellt. Ein Puislaser i, 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 Ultraschallleistung tritt bei einer Frequenz /auf, für die
gilt / = 1/2.t£>. Das Maximum des Frequenzspektrums
ist unabhängig von den thermischen Eigenschaften des Prüfobjektes.
Der Pulslaser 1 wird durch eine in F i g. 1 nicht dargestellte Steueranordnung angesteuert, die es gestattet,
die Laserpulsweise D so zu wählen, daß das Maximum des FrequenzspektruiTis des Ultraschaüpulscs für die
Messung der Korngröße ddas »beste Ergebnis« ergibt,
wobei dies bedeutet, daß der Streuanteil in der Gesamtschwächung
möglichst groß ist. Dies ist dann der Fall, wenn zwischen der Wellenlänge λ und der Korngröße d
folgende Beziehung besteht:
τ-
Entsprechend der zu erwartenden mittleren Korngröße wird die Pulsweise D des Pulslasers 1 eingestellt,
wobei berücksichtig*, wird, daß die Wellenlänge durch den Quotienten aus der Schallgeschwindigkeit c und der
Frequenz /bestimmt ist.
Der an der Oberfläche 6 des Prüfobjektes 2 erzeugte Ultraschall gelangt nach einem der Dicke χ 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(Q werden auf ihrem Laufweg, der einem ganzzahligen Vielfachen der Dicke χ des Prüfobjekts
2 entspricht, zum Ultraschallaufnehmer 3 oder Empfangsprüfkopf entsprechend dem Beer'schen Gesetz
um den Faktor exp(—<x(f)· Q geschwächt. Der
Ultraschallschwächungskoeffizient <x (Q ergibt sich aus der Summe des Absorptionskoefizienten und des Streukoeffizienten
gemäß folgender Gleichung:
x(f)= a\ ■ f+ a*- f*
Dieser Gleichung entnimmt man, daß die Absorption linear mit der Frequenz /steigt, während die Streuung
mit der vierten Potenz der Frequenz /zunimmt. Für den
Kueitizient 34gilt
a4
worin d die Korngröße des Prufobjektes bedeutet und der Streuparameter 5 eine bekannte Materialkenngröße
ist, die von der Dichte, der Schallgeschwindigkeit und der Anisotropie des Materials des Prufobjektes abhängt.
Eine weitere Veränderung des Frequenzspektrums M(Q erfolgt durch den Ultraschallaufnehmer 3, beispielsweise
einem piezoelektrischem Prüfkopf mit Bindung mit der Antwortfunktion H(Q, so daß das Spektrum
des Ultraschallpulses G(Q 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 χ 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 a (Q zur Bestimmung der Korngröße d auszunutzen.
Für die Frequenzspektren des ersten und zweiten Rückwandechos ergeben sich unter Berücksichtigung
des Frequenzspektrums M(Q des an der Oberfläche 6 erzeugten Ultraschallpulses und der Antwortfunktion
// (f) folgende zwei Gleichungen:
M(Q ■ H(Q ■ exp (—a (Q ■ χ) — G\ (Q
M(Q ■ H(Q - exp {-a(Q ■ 3x) = G2 (Q
Die Auflösung dieser beiden Gleichungen nach a (Q
ergibt, daß der Schwächungskoeffizient nur noch von der Differenz der Logarithmen von G\ und G2 sowie
vom Laufweg 2x abhängt:
InG1(Q-InC2(Q
2x
veranschaulicht ist, die eine auf optoakustischem Weg
gemessene Schalldämpfung als Funktion der Frequenz in einer Stahlprobe mit einer metallographisch bestimmten
Korngröße von Um = 93 μπι 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 ίο Messung eine Kurve der Form
λ (Q= a, ■ f + a4 ■ f*
gelegt wird. Über eine Minimalisierung der Summe der Fehlerquadrate werden die Koeffizienten a\ und a* in
der sich aus F i g. 2 ergebenden Weise bestimmt. Aus dem Koeffizienten a* = S ■ d3 wird schließlich die
Korngröße d berechnet, wobei die Berechnungen mit einem in det Zeichnung nicht dargestellten Rechner
durchgeführt werden, in den die bc!v?.nnte Materialkenngröße
des Prüfobjektes 2, als Strecparameter S eingegeben worden ist.
Zur Bestimmung des Schwächungskoeffizienten als Funktion der Frequenz braucht man also weder das
ursprünglich erzeugte Frequenzspektrum M(Qnoch die so Frequenzantwort vom Ultraschallaufnehmer mit Bindung
explizit zu kennen. Aufgrund dieses Sachverhaltes ergibt sich ein sehr einfaches Verfahren, aus zwei Rückwandechos
den frequsnzabhängigen Schwächungskoeffizienten
zu messen und damit Korngrößenbestimmungen in polykristallinen Materialien durchzuführen. Die
Schwächungsmessung ist dabei innerhalb jenes Frequenzbandes möglich, in dem die Amplituden von G\ (()
und G2 (Q genügend stark über dem Rauschen des an
den Ultraschallaufnehmer 3 angeschlossenen Verstär- t>o
kers 4 liegen, der das vom Ultraschallaufnehmer 3 aufgenommene Frequenzspektrum 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 Schwachungskoeffizienten für eine
Vielzahl von Frequenzen bestimmt, wie in Fig. 2 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen Werkstoff durch Auswerten
der frequenzabhängigen Schwächung der von einem Ultraschallaufnehmer erfaßten Frequenzkomponenten
eines von einem Sendeprüfkopf in den Werkstoff eingeschallten Ultraschallpulses, dadurch
gekennzeichnet, 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 Frequenzspektrum des Ultraschallpulses
nach Durchlaufen zweier unterschiedlich langer Strecken im Werkstoff erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinanderfolgende Rückwandechos
ausgewertet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite
Rückwandtcho erfaßt werden.
5. Verfahren nach einem d>~ vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Laseranregung ein Q-Switch Rubinlaser · -erwendet wird.
Priority Applications (1)
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| DE19843412615 DE3412615C2 (de) | 1984-04-04 | 1984-04-04 | Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen Werkstoff |
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| DE19843412615 DE3412615C2 (de) | 1984-04-04 | 1984-04-04 | Verfahren zur Korngrößenbestimmung in einem polykristallinen Werkstoff |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1984
- 1984-04-04 DE DE19843412615 patent/DE3412615C2/de not_active Expired
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