DE3428216A1 - Verfahren zum ermitteln der materialkorngroesse mittels ultraschall - Google Patents

Verfahren zum ermitteln der materialkorngroesse mittels ultraschall

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Korngröße in Materialien durch Messen der Schwächung oder Dämpfung von Ultraschallwellen.
Durch Untersuchen der Schwächung von Ultraschallwellen in Materialien können deren physikalische und andere Eigenschaften ermittelt werden, die zur Materialkenntnis vorteilhaft sind. Insbesondere sind Versuche unternommen worden, die Beziehungen zwischen der MikroStruktur von Materialien, wie die Korngröße in Stahl, und ihre Schwächungskonstante für Ultraschallwellen zu ermitteln. Wenn der Stahl lediglich aus einer Phase besteht, z.B. Ferrit oder Austenit, wird davon ausgegangen, daß ihre Korngröße abgeschätzt werden kann. In der Praxis ist der Stahl jedoch nicht auf die Ferrit- und die Austenit-Struktur beschränkt. So gibt es hochkomplexe Strukturen, wie Perlit, Martensit, Bainit und getempertes Martensit. Derartige Strukturen sind häufig sogar im gleichen Stahl gemischt vorhanden. Die Beziehungen dieser Strukturen zur Schwächung von Ultraschallwellen ist noch wenig bekannt. So wird vage vermutet, daß verschiedene Struktüren unterschiedliche Schwächungskonstanten aufweisen. Eine definitive Beziehung zwischen den Schwächungskonstanten und der Korngröße ist noch nicht bekannt.
Aus der JP-OS 126991/78 der gleichen Erfinder ist ein Verfahren zur Ermittlung der Korngröße mittels Ultraschallwellen bekannt. Dieses bekannte Verfahren hat jedoch mehrere Einschränkungen auf die Meßbedingungen: der Schwächungskoeffizient der Ultraschallwellen beträgt mindestens oc= 2 dB/cm; die Unterscheidungsgenauigkeit beträgt - 1,0 der ASTM-Korngrößenzahl, und die Stahldicke beträgt höchstens 50 mm.
L J
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Korngröße mittels Ultraschallwellen anzugeben, das eine höhere Genauigkeit ermöglicht, einen größeren Bereich der Schwächungskoeffizienten für die Ultraschallwellen abdeckt, und auch die Messung von dickerem Stahl zuläßt.
Die hier verwendete Korngröße ist der mittlere Korndurchmesser, der in Korngrenzen mit großem Winkel abgegrenzt werden kann, wo die kristallographische Orientierung stark variiert, beispielsweise Ferritkörner in ferritischen Stählen.
Erfindungsgemäß wird die Korngröße mittels Ultraschall in der folgenden Weise ermittelt: Ultraschallwellen mit der Frequenz f werden durch das zu untersuchende Objekt geschickt, und der Schwächungskoeffizient der Wellen wird ermittelt. Danach wird die Ordnung 3 des Bereichs, zu-der der Wert des Verhältnisses f/c*. gehört, aus dem Verhältnis f/ot mit der nachstehenden Gleichung ermittelt:
wobei C' ., C . >, = Konstanten und
j = Konstante zwischen 1 und 4-.
25
Mit der ganzen Zahl n. und der Konstanten A., die für jede Ordnung j vorher bestimmt wurden, wird der Durchmesser D mit der nachstehenden Gleichung ermittelt:
<oC er
Γ77ν
Der so ermittelte Korndurchmesser wird in den üblichen Korngrößenwert, wie die ASTM-Korngrößenzahl, übertragen.
Die Erfindung wird nachstehend mit. Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung mit einer Martensit- und einer Bainit-Struktur,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Perlit-Struktur,
Fig. $ eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung des Schwächungskoeffizienten für die Ultraschallwellen,
Fig. 4 eine graphische Darstellung des ermittelten Schwächungskoeffizienten für die Ultraschallwellen,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße verschiedener Struktüren,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße von Stahlblech,
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße von Stählen und der Charpy-Übergangstemperatur,
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße von Stahlrohren und der Charpy-Ubergangstemperatur,
Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße von Stählen und der DWTT-Übergangstemperatur, und
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße von Schienenstahl und der Flächenreduktion.
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3 4 2 8 2
Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Einführung des später erläuterten Konzepts der effektiven Körner sowie in der Angabe der fundamentalen Beziehung zur Schwächung von Ultraschallwellen. Damit ist es nunmehr möglich, mit hoher Genauigkeit die Korngröße zu ermitteln, insbesondere die effektive Korngröße, die praktisch die mechanischen Eigenschaften bestimmt, und zwar auf der Basis des ermittelten Schwächungskoeffizienten für die Ultraschallwellen, beispielsweise in Stahl. Dieses Verfahren kann nicht nur auf ferritische und perlitische Stähle, sondern auch auf martensitische, bainitische und andere Stähle mit noch komplexeren Strukturen angewendet werden.
Effektive Körner sind Körner mit Korngrenzen, wo sich die kristallographische Orientierung stark ändert. Bekanntlich bewirkt eine rasche Abkühlung von erwärmtem Stahl das Ausbilden von feineren Körnern. Die Fig. 1 zeigt die Mikrostruktur, die sich aus der Austenit- zu Martensit-Transformation eines Korns beim Abkühlen ergibt. In dieser Figur zeigt die im wesentlichen hexagonäle Kurve C«, die alten Austenit-Korn-Grenzen, in denen sich eine Gruppe von Streifen E mit kleinem Querschnitt befindet, die in gleicher Richtung orientiert sind. Die Gruppe P, die durch die stark ausgezogene Linie C^ eingeschlossen ist, wird als covariantes Paket bezeichnet, dessen Grenze (stark ausgezogene Linie G^) als covariante Paketgrenze bezeichnet wird. Die Grenze C^, die den Streifen R umgibt, wird als Martensit-Streifengrenze bezeichnet. Der Martensit-Streifen ist die kleinste Einheit der Martensit-Struktur, gewöhnlich mit einer Breite von 1 jum. Die Länge variiert mit dem Austenitkorn-Durchmesser. Die Kristalle an der Grenze C-, sind in verschiedenen Richtungen orientiert, jedoch ist der Winkel der Richtungsvariation nicht größer als 1 . Charakteristisch ist dabei, daß diese Variation wesentlich kleiner ist als die bei normalen Korngrenzen. Wenn einfacher ferritischer Stahl gekühlt wird, so erhält man ferritische Körner mit
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den Grenzen gemäß der gestrichelten Linie CL. Diese ferritischen Körner enthalten keine derartigen kleinen Unterteilungen wie die Martensitstreifen R.
Während die Orientierungsvariation an der Martensit-Streifengrenze C-, nicht größer als 1° ist, beträgt diese an der covarianten Paketgrenze Co bis zu mehreren 10°. Die covariante Paketgrenze C^ ist ebenso wie die Ferrit-Korngrenzen in den ferritischen Stählen eine Korngrenze mit großem Winkel. Korngrenzen mit großem Winkel verhindern oder behindern das Wachstum von Rissen im Stahl und schwächen den Durchgang von Ultraschallwellen durch diesen Stahl erheblich. Korngrenzen mit geringem Winkel haben diese Eigenschaften nicht. Unter der Annahme, daß die durch die Korngrenzen mit großem Winkel begrenzten Körner, wie das Ferritkorn in ferritischem Stahl und das covariante Paket P in martensitischen und bainitischen Stählen, das effektive Korn sind, so kann eine enge Beziehung zwischen den Körnern im Stahl und der Schwächung von Ultraschallwellen sowie den mechanischen
20 Eigenschaften hergestellt werden.
In der Perlit-Struktur entsprechen der Perlitblock PB sowie die Perlit-Kolonie PC dem covarianten Paket bzw. der Streifengrenze des Martensits (vgl. Fig. 2). Die Erfindung beruht auf diesem Konzept, was nachstehend anhand von Meßergebnissen noch näher erläutert wird.
Ein besonders bemerkenswertes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Korngrößen besteht darin, daß die vorstehend definierte Korngröße aus dem Schwächungskoeffizienten der Ultraschallwellen ermittelt wird.
Die Korngröße ist ein wesentlicher Parameter für die mechanischen Eigenschaften von Stahl. Zur zerstörungsfreien Ermittlung der Korngröße sind Untersuchungen vorgenommen worden, wobei die Beziehung zwischen der Korngröße und der
r - 7 -
Stahlstruktur sowie der Schwächung von Ultraschallwellen ausgenutzt wurde. Der Schwächungskoeffizient von Ultraschallwellen im Rayleigh-Streubereich, wo die Wellenlänge ausreichend größer als der Korndurchmesser ist, ist proportional zur dritten Potenz des Korndurchmessers D und der vierten Potenz der Frequenz f der Ultraschallwellen. Diese Beziehung gilt nicht, wenn die Wellenlänge kleiner als der Korndurchmesser D wird; der Schwächungskoeffizient cc ist dann proportional zur ersten Potenz des Korndurchmessers D und der zweiten Potenz der Frequenz f. Diese Beziehungen können folgendermaßen wiedergegeben werden:
Ot= A2D f2 A/D<C (2).
Die vorgehenden Beziehungen wurden empirisch aus dem Schwächungskoeffizienten oC von Ultraschallwellen mit Proben ermittelt, deren Korndurchmesser D bereits bekannt war. Bei der erfindungsgemäßen Ermittlung der Korngröße aus dem Schwächungskoeffizienten der Ultraschallwellen ist jedoch die Korngröße D noch unbekannt, und daher ist offen, welche der Gleichungen (1) und (2) verwendet werden soll. Eine konkrete Lösung dieses Problems wird nachstehend erläutert.
Mit den Gleichungen (1) und (2) werden nutzbare Bereiche durch den Wert von A/D unterteilt. Eine derartige klare Unterteilung ist jedoch in der Praxis nicht möglich. Die Versuchsergebnisse im Rahmen der Erfindung zeigten, daß ein Übergangsbereich vorhanden ist, wo der Schwächungskoeffizient cc proportional zur zweiten Potenz des Korndurchmessers und der dritten Potenz der Frequenz der Ultraschallwellen ist. Wenn λ/D ausreichend groß ist, so wird der Schwächungskoeffizientex proportional zur zweiten Potenz des Korndurchmessers D und zur dritten Potenz der Frequenz f. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache können die Gleichungen (1) und (2) in die allgemeine Gleichung (3) überführt werden:
η. η .+1 OC = A .D Jf J C =
Wenn die Ultraschallwellen durch den Stahl mit der Geschwindigkeit V (cm/sec) laufen, so gilt:
λ = V/f (4)
Aus den Gleichungen (3) und (4) erhält man
CK = A.(D.f) «J . f
ni/ 1 OC
f		 ο· η. η folgendermaßen umgeschrieben wer-
TT
λ/3} - DTf- - 7 ·		 d Sf/ocio'3+1 (5)
Damit kann Gleichung (3) = -I, 2, 3, M-)
η . η .+Ί
Ov- = A .D ^f ^
J
wobei Q
Λ) 1 / _J
J A - V
/] -
ά+Λ Ά.. ^
j
Ferner gilt: j=1,n=1;o=2,n=2; j=3,n=3 und d = 4, η =
Den Schwächungskoeffizienten ex. (dB/cm) erhält man durch Ermitteln der Abschwächung einer geeigneten Frequenz f(sec ) Danach wird der Wert des Verhältnisses f/cx ermittelt. Mit dem aus der Gleichung (5) ermittelten Wert für η erhält man den Korndurchmesser D aus der folgenden Gleichung:
D = (—2 ) sr (6)
Die Grenzbedingungen, die die Bereiche, wo die Beziehungen zwischen dem Schwächungskoeffizienten <K, dem Korndurch-
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messer D und der Frequenz f der Ultraschallwellen variieren, können nunmehr anstelle mit dem unbekannten Korndurchmesser D mit dem gemessenen Schwächungskoeffizienten oC ausgedrückt werden. Somit kann der unbekannte Korndurchmesser D aus der Messung des Schwächungskoeffizienten der Ultraschallwellen unter Verwendung der Gleichung (6) ermittelt werden.
In den folgenden Abschnitten wird ein konkretes erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung des Korndurchmessers erläutert.
Zunächst wurde der Schwächungskoeffizient <K (dB/cm) von Ultraschallwellen mit einer Stahlprobe ermittelt, deren Korndurchmesser D (mm) bekannt war (die Korngröße ist vorher in üblicher Weise gemessen worden). Danach wurden die folgenden Beziehungen zwischen oC und λ/D empirisch ermittelt: Für λ/D = 5,5 ist o^ = 0,52 Df2
5,5 =A/D = 7,0 ist oL = 0,49 D2f5
Für 7,0 = λ/ΰ = 9,5 istoC = 0,58 FürA/D ^ 9,5 istoC= 0,36 D2f5
Bei unbekanntem D ist jedoch der Wert für λ/D ebenfalls un bekannt; daher ist eine Auswahl der geeigneten Gleichung un möglich. Die Gleichung (3) kann Jedoch durch eine andere Gleichung ersetzt werden, in der f/oC anstelle λ/D als Parameter benutzt wird, wie dies nachstehend erläutert wird:
Für f/oc=1,79 ist α = 0,52 Df2
Für 1,79 = f/«-= 2,86 ist QC = 0,4-9 D2f3
Für 2,86 ^f/ex= 7,14 ist oC = 0,58 dV"
Für f/cc 2- 7i14 ist cC = 0,36 D2f3.
Da der Wert f/cX. bekannt ist, kann D aus cc und f ermittelt werden. In diesen Gleichungen ist f die gemessene Frequenz (MHz), X das Verhältnis V/f (mm), V die Geschwindigkeit des
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Γ :- - "rÖ -
durch den Stahl dringenden Schalls (5900 m/sec) und ot der Schwächungskoeffizient korrigiert auf Streu- und Reflektionsverluste.
Die obigen Beziehungen gelten für longitudinale Wellen. Sie sind anders für Schubwellen.
In Fig. 3 sind ein zu untersuchender Stahl 1 und ein Ultraschallgenerator 2 dargestellt, der sowohl senden als auch empfangen kann. Der Ultraschallgenerator 2, der sich im Kontakt mit der Oberfläche 11 des Objekts 1 befindet, erzeugt Ultraschallwellen, die durch das Objekt 1 dringen, an der Unterseite 12 reflektiert werden, an der Oberfläche 11 erneut reflektiert werden und diesen Zyklus wiederholen. Die Reihe des sich aus den Mehrfachreflektionen der Ultraschallwellen zwischen den Oberflächen 11 und 12 ergebenden Schalldrucke, die vom Generator 2 ermittelt werden, bilden eine Schwächungskurve gemäß Fig. 4. Der Schalldruck P der Echos
— OCX
kann folgendermaßen ausgedrückt werden: P = P,,e , der sich im wesentlichen exponentiell mit der Laufstrecke X (cm) gemäß Fig. 4- abschwächt. Wenn der Schalldruck an den Stellen Xy, und Xo (cm) im Stahl Jeweils P^ bzw. Pp ist, so erhält man für den Schwächungskoeffizienten <*.(dB/cm) folgenden Wert: 20 lQg (P /p ) OC = 1^
X2 - X1
Die Schwächung der Ultraschallwellen ergibt sich nicht nur aus der Streuung an den Korngrenzen, worum es in dieser Erfindung im wesentlichen geht, sondern auch durch Schallbeugung im Stahl, durch Reflektionsverluste an beiden Oberflächen des Stahls und aus anderen Gründen. Diese Parameter werden jedoch experimentell als Funktionen der Stahldicke ermittelt, die dann zur Korrektur herangezogen werden können.
Für den in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Schwä-
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Γ -"τι*- " ■ 3Α28216"1
chungskoeffizienten c* wird davon ausgegangen, daß er in geeigneter Weise korrigiert ist und daher angenommen werden kann, daß er ausschließlich, durch die Körner verursacht wird.
Diesen "wahren" Schwächungskoeffizienten <x. erhält man mit der nachstehenden Korrekturgleichung, die vorher aufgrund experimenteller Ergebnisse ermittelt wird: Streuverluste: A<Xd = 3,0/f (dB/cm) Reflektionsverluste: Δσς = O,25v/f/2d (dB/cm) wobei f = Frequenz (MHz) und
OL = Probendicke (cm).
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß Λ CC mit dem Grad der Oberflächengüte variiert. Der hier verwendete Wert beruht auf einer glatten Oberfläche, die mit einem Oberflächenschleifmittel behandelt worden ist.
(wahr) = OC (gemessen) - AoL· - &0C
Obwohl im wesentlichen jede Frequenz benutzt werden kann, ergeben sich Begrenzungen für die tatsächliche Frequenz, so daß der Schwächungskoeffizient <X nicht unter etwa 0,5 dB/cm fällt, da sonst der Korrekturterm so groß werden könnte, daß er die Meßgenauigkeit nachteilig beeinflußt. Wenn bei zu starker Schwächung ein Echo nicht beobachtet werden kann, so muß die Frequenz auf einen Wert abgesenkt werden, wo man einen geeigneten Meßwert erhält.
Die Fig. 5 zeigt die effektiven Korngrößen von Stählen mit verschiedenen Strukturen nach Ermittlung durch das erfindungsgemäße Verfahren. Aufgrund des ermittelten Korndurchmessers D ergibt sich die Korngrößen-Nummer (nachstehend als ASTM-Nr.^ bezeichnet) in guter Übereinstimmung mit der üblichen visuellen Bestimmung der Korngröße (ASTM Nr.). Die obige Umschreibung erfolgt mit nachstehender Gleichung: ASTM Nr.* = -6,64 logD - 2,06.
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r ■■'- - 12 -
Die Pig. 6 zeigt die Korngrößen von handelsüblichen Stahlblechen für ASTM-A 36 und A 242, ermittelt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Bleche waren 10 mm bis 40 mm dick und bestanden aus IFerrit-Perlit-Stahl. Wenn der Perlit-Gehalt nicht höher als 20$ ist, wie bei den Stählen gemäß Fig. 6, so erhält man eine gute Übereinstimmung mit der Ferrit-Korngröße, die visuell in bekannter Weise ermittelt wurde.
Wie vorstehend diskutiert, ergibt sich eine klare Definition des Korndurchmessers erstmals aufgrund des Konzepts der effektiven Körner. Danach wird eine neue Gleichung zur Ermittlung des Korndurchmessers unter Verwendung des Schwachungskoeffizienten oc angegeben. Dadurch ist es möglich, unter Ausnutzung der Abschwächung von Ultraschallwellen den Korndurchmesser von Stahl rasch, genau und über einen großen Bereich der Schwachungskoeffizienten und der Blechdicke zu. ermitteln.
Die Korngröße kann mit einem Schwachungskoeffizienten von mindestens 0,5 dB/cm bei einer Blechdicke von 150 mm und weniger sowie mit einer Genauigkeit von - 0,5 ASTM-Zahl ermittelt werden.
In enger Beziehung zu den. mechanischen Eigenschaften von Stahl ermöglicht die erfindungsgemäß ermittelte, effektive Korngröße eine wirkungsvolle Analyse und Inspektion der Stahleigenschaften.
Beispielsweise zeigt Fig. 7 graphische die Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten effektiven Korngröße (ASTM Nr.^ ) von Stählen und ihre Übergangstemperaturen. Das Diagramm zeigt die lineare Beziehung zwischen der effektiven Korngröße und der Übergangstemperatur für ver-
35 schiedene Stahltypen.
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Die Fig. 8 zeigt, daß Rohrstahl (äquivalent API-X .-65) im wesentlichen eine lineare Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße (ASTM Nr.^ ) und der Übergangstemperatur zeigt. Mechanische Eigenschaften von Stählen, wie Festigkeit und Verformbarkeit, stehen in enger Beziehung zur effektiven Korngröße.
Die Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße (ASTM Nr. # ) verschiedener Stähle und der DWTT-Übergangstemperatur. Die untersuchten Stähle sind vakuumgeschmolzene Stähle nach ASTM A533·
Die Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten, effektiven Korngröße (ASTM Nr.5^) von Schienenstahl und der Flächenreduktion.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann in einfacher Weise zur Konstruktion einer Vorrichtung zur automatischen Bestimmung von Korngrößen angewendet werden, die die Messung der Probendicke, das Einstellen der Ultraschallfrequenz sowie die Ermittlung der Korngröße automatisch mit Hilfe eines Mikrocomputers oder mit Hilfe einer anderen geeigneten Einrichtung vornimmt.
Wenn der den Stahl berührende Ultraschallgenerator im Rahmen der Erfindung durch einen berührungslosen Ultraschallgenerator ersetzt wird, so ist eine perfekt berührungsfreie Korngrößenbestimmung möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die-J3estimmung der Korngröße von Stahl beschränkt, sondern kann auch bei anderen Materialien eingesetzt werden, wie Aluminium, Titan und anderen Metallen und sogar bei nichtmetallischen
Materialien, wie Keramik.
35
L J

Claims (1)

  1. VOSSIUS ■ VOSSIUS;:TÄUGHN E R„.·-H;E U N E M A N N -RAUH
    PATENTANWÄLTE 342821^
    SIEBERTSTRASSE A -8 OO O MÜNCHEN 86 ■ PHONE: (O 89) 4-7 4-O 75 CABLE: B EN ZO LPATENT MÖNCHEN -TELEX 5-29 45 3 VOPAT D
    31. Juli 1984
    u.Z.: T 186
    Case: 84015
    NIPPON STEEL CORPORATION
    Tokyo, Japan
    "Verfahren zum Ermitteln der Materialkorngröße mittels ultraschall"
    Patentanspruch
    Verfahren zum Ermitteln der Korngröße mittels Ultraschall, gekennzeichnet du.rch die folgenden Verfahrensschritte:-
    a) Durchstrahlen eines zu. untersuchenden Objekts mit Ultraschallwellen mit der Frequenz f,
    b) Ermitteln der Dämpfungskonstante <X der Ultraschallwellen und
    c) Ermitteln der Ordnung des Bereichs j für den Wert f/oc mit der Gleichung
    C.
    wobei C . und C . Λ = Konstante 3 = Konstante zwischen 1 und 4- und Ableiten des Korndurchmessers D aus der Gleichung
    mit einer ganzen Zahl ny und einer Konstanten A ., die für die Ordnung j jedes Bereichs vorher ermittelt wurden.
DE19843428216 1983-08-01 1984-07-31 Verfahren zum ermitteln der materialkorngroesse mittels ultraschall Granted DE3428216A1 (de)

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