RU2782966C1 - Method for determining the grain size in sheet metal - Google Patents
Method for determining the grain size in sheet metal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782966C1 RU2782966C1 RU2022109762A RU2022109762A RU2782966C1 RU 2782966 C1 RU2782966 C1 RU 2782966C1 RU 2022109762 A RU2022109762 A RU 2022109762A RU 2022109762 A RU2022109762 A RU 2022109762A RU 2782966 C1 RU2782966 C1 RU 2782966C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- grain size
- thickness
- pulses
- frequency
- ultrasonic
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 14
- 230000001131 transforming Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- -1 ferrous metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к способам исследований внутреннего строения материалов с помощью ультразвуковых волн, и может быть использовано для оценки среднего размера зерна в листовом металлопрокате.The invention relates to the field of non-destructive testing, and in particular to methods for studying the internal structure of materials using ultrasonic waves, and can be used to estimate the average grain size in sheet metal.
Листовой металлопрокат является основным материалом для изготовления корпусов автомобилей, труб, других деталей машин. Структура материала листового металлопроката существенным образом определяет его потребительские свойства. От величины среднего размера зерна листового металлопроката зависит его штампуемость – свойство, определяющее, его пригодность к использованию для производства, например, кузовов автомобилей.Sheet metal is the main material for the manufacture of car bodies, pipes, and other machine parts. The structure of the material of rolled metal products significantly determines its consumer properties. From the value of the average grain size of sheet metal depends on its formability - a property that determines its suitability for use in the production of, for example, car bodies.
В промышленности для определения структуры металла широко используют методы металлографического анализа (И.Л. Шулаев Контроль в производстве черных металлов. М.: Металлургия, 1978), заключающиеся в измерении размеров зёрен металла, видимых визуально или в микроскоп на шлифованной, полированной и протравленной кислотами поверхности образцов, вырезанных из соответствующих участков изделий. In industry, methods of metallographic analysis are widely used to determine the structure of a metal (I.L. Shulaev Control in the production of ferrous metals. M .: Metallurgy, 1978), which consists in measuring the size of metal grains visible visually or through a microscope on polished, polished and etched with acids surfaces of samples cut from the corresponding parts of the products.
Недостатком такого способа является трудоемкость измерений, а также возможность определения размеров зерна только поверхностных слоев образца.The disadvantage of this method is the complexity of measurements, as well as the possibility of determining the grain size of only the surface layers of the sample.
Известен интегральный способ оценки структуры материала ("хорошая" - "плохая") с помощью ультразвука (Технические указания и выявление ультразвуком внутренних дефектов металла в осях и непрозвучивающихся осей на заводах. N 316-ЦВРК, 1977).Known integral method for assessing the structure of the material ("good" - "bad") using ultrasound (Technical guidelines and ultrasound detection of internal metal defects in axes and non-sound axes in factories. N 316-TsVRK, 1977).
Известный способ заключается в прозвучивании контролируемых изделий эхо-методом на заданной частоте f и сравнении амплитуды донного сигнала на изделии (эталонном образце) с "хорошей" структурой с амплитудами донных сигналов на испытуемых изделиях. При уменьшении амплитуды донного сигнала в изделии на определенную величину относительно амплитуды донного сигнала на эталонном образце структура считается "плохой" и изделие бракуется.A known method consists in sounding the controlled products by the echo method at a given frequency f and comparing the amplitude of the back signal on the product (reference sample) with a "good" structure with the amplitudes of the bottom signals on the tested products. When the amplitude of the back signal in the product decreases by a certain value relative to the amplitude of the back signal on the reference sample, the structure is considered "bad" and the product is rejected.
Недостатком такого способа является его низкая точность, обусловленная неблагоприятным влиянием геометрии объекта контроля и вариации качества акустического контакта на результаты контроля. Другим недостатком данного способа является невозможность контроля металлопроката малых толщин, поскольку донные сигналы можно получить только в том случае, если толщина изделия существенно превышает длину применяемых ультразвуковых волн, возможности по уменьшения которой, в свою очередь, ограничены затуханием и условиями на поверхности объекта контроля.The disadvantage of this method is its low accuracy, due to the unfavorable influence of the geometry of the test object and the variation in the quality of the acoustic contact on the test results. Another disadvantage of this method is the inability to control rolled metal of small thicknesses, since bottom signals can only be obtained if the thickness of the product significantly exceeds the length of the applied ultrasonic waves, the possibilities for reducing which, in turn, are limited by attenuation and conditions on the surface of the test object.
Известны способы контроля величины зерна и структурной неоднородности тонкостенных изделий, например, металлических листов, основанные на использовании эхо-импульсного и импульсно-теневого методов возбуждения и приема ультразвуковых колебаний с последующим сравнением отношения амплитуд сигналов двух частот.Known methods for controlling the grain size and structural inhomogeneity of thin-walled products, such as metal sheets, based on the use of echo-pulse and pulse-shadow methods of excitation and reception of ultrasonic vibrations, followed by comparison of the ratio of the amplitudes of the signals of two frequencies.
Например, известен способ определения среднего размера зерна материала, основанный на измерении структурных коэффициентов (Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник под ред. Г.С. Самойловича, Машиностроение, 1976). For example, there is a known method for determining the average grain size of a material based on the measurement of structural coefficients (Non-destructive testing of metals and products. Handbook edited by GS Samoilovich, Mashinostroenie, 1976).
Под структурным коэффициентом образца понимается отношение амплитуд донных сигналов Aj при контроле эхо-методом Kj=Afj/Af1, измеренных на частоте fj и частоте f1 << fj. Сравнение структурных коэффициентов на эталонных образцах с известной структурой, определенной методом металлографического анализа, и образцах материала такой же толщины позволяет при равенстве структурных коэффициентов определить средний размер зерна интегрально по толщине контролируемого материала.The structural coefficient of the sample is understood as the ratio of the amplitudes of the bottom signals A j when controlled by the echo method K j =A fj /A f1 , measured at the frequency f j and the frequency f 1 << f j . Comparison of structural coefficients on reference samples with a known structure, determined by metallographic analysis, and material samples of the same thickness allows, with the equality of structural coefficients, to determine the average grain size integrally over the thickness of the controlled material.
При этом, недостатком известного способа является физическая невозможность его применения для случаев, когда толщина металлопроката соизмерима или меньше длины ультразвуковой волны в объекте контроля, когда регистрация донных сигналов становится физически невозможной.At the same time, the disadvantage of the known method is the physical impossibility of its application for cases where the thickness of rolled metal is commensurate with or less than the ultrasonic wavelength in the test object, when the registration of bottom signals becomes physically impossible.
Другим недостатком известного способа является высокая чувствительность амплитуд донных сигналов, а значит, также и определяемых с их помощью структурных коэффициентов к непараллельности поверхностей металлопроката, причём, в общем случае, амплитуда более высокочастотных сигналов должна в большей степени зависеть от неидеальностей формы металлопроката, нежели амплитуда сигналов низкочастотных.Another disadvantage of the known method is the high sensitivity of the amplitudes of the bottom signals, and hence also the structural coefficients determined with their help, to the non-parallelism of the rolled metal surfaces, and, in the general case, the amplitude of higher-frequency signals should depend more on the imperfections of the shape of the rolled metal than the amplitude of the signals low-frequency.
Известен способ контроля величины зерна и структурной неоднородности тонкостенных изделий (А.С. СССР № 196418, опубл. 16.05.1967, МПК G01N). В соответствии с описанием к изобретению в изделии, коротким ультразвуковым импульсом с широким спектром частот возбуждают собственные продольные толщинные колебания изделия, производят амплитудно-частотный анализ принятого сигнала после окончания воздействия возбуждающего импульса, и по амплитудам основных резонансных откликов, судят о значении средних размеров зерна.A known method for controlling the grain size and structural heterogeneity of thin-walled products (AS USSR No. 196418, publ. 05/16/1967, IPC G01N). In accordance with the description of the invention in the product, a short ultrasonic pulse with a wide frequency spectrum excites its own longitudinal thickness oscillations of the product, an amplitude-frequency analysis of the received signal is performed after the excitation pulse has ended, and the value of the average grain size is judged by the amplitudes of the main resonance responses.
Известный способ имеет целый ряд недостатков. В частности, генерация продольных волн предполагает наличие контактной жидкости, которая демпфирует свободные колебания объекта контроля, и, тем самым, искажает результаты измерений. Другим недостатком известного способа так же является сильное влияние неидеальности геометрии проката. Даже незначительная непараллельность его поверхностей приводит к существенному снижению интенсивности наблюдаемых резонансных явлений, что оказывает существенное, притом весьма неблагоприятное влияние на точность оценки среднего размера зерна. Кроме того, изменение амплитуды резонансных откликов подразумевает как минимум наличие этих резонансов, во всяком случае, на уровне чувствительности аппаратуры. Поскольку затухание ультразвука в материале, даже на частоте его первого резонанса, может оказаться настолько значительным, что применение способа на листовом металлопрокате, где частоты собственных резонансов, а значит и затухание, имеют высокие значения, окажется невозможным. Это ограничивает диапазон значений размера зёрен и/или толщин, при которых способ может быть реализован на практике.The known method has a number of disadvantages. In particular, the generation of longitudinal waves implies the presence of a contact liquid, which dampens the free vibrations of the test object, and thereby distorts the measurement results. Another disadvantage of the known method is also the strong influence of non-ideal rolled geometry. Even a slight non-parallelism of its surfaces leads to a significant decrease in the intensity of the observed resonance phenomena, which has a significant, and, moreover, a very unfavorable effect on the accuracy of estimating the average grain size. In addition, a change in the amplitude of resonant responses implies at least the presence of these resonances, at least at the level of sensitivity of the equipment. Since the attenuation of ultrasound in the material, even at the frequency of its first resonance, can be so significant that the application of the method on sheet metal, where the frequencies of natural resonances, and hence the attenuation, are high, will be impossible. This limits the range of grain sizes and/or thicknesses in which the method can be put into practice.
Тем не менее, так как этот способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, то он был выбран в качестве прототипа.However, since this method is the closest in technical essence to the claimed invention, it was chosen as a prototype.
Также известен метод структуроскопии металла (Методика определения акустических структурных шумов металла. В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, А.В. Байтеряков, А.И. Дедов, Интеллектуальные системы в производстве. 2013. № 1(21). с. 143-148), основанный на использовании в качестве информативного параметра усредненного значения амплитуды структурных шумов. Для реализации известного метода предлагается использование раздельно-совмещенного преобразователя с малой мертвой зоной с раздельной функцией излучения и приема, конструктивно объединенного в одном корпусе. Also known is the method of metal structuroscopy (Method of determining the acoustic structural noise of a metal. V.V. Muravyov, O.V. Muravyova, A.V. Baiteryakov, A.I. Dedov, Intelligent systems in production. 2013. No. 1 (21). pp. 143-148), based on the use of the average value of the amplitude of structural noise as an informative parameter. To implement the known method, it is proposed to use a dual converter with a small dead zone with a separate function of emission and reception, structurally integrated in one housing.
Ввиду того, что на уровень сигналов структурных шумов, равно как и любых отраженных сигналов, существенно влияет качество акустического контакта (особенно в случае шероховатых поверхностей, нестабильности слоя контактной жидкости), принципиальным при разработке методики является выбор опорного сигнала. Предлагается использование в качестве опорного сигнала от «пролаза» рэлеевской волны, обусловленного ее переизлучением в приемную призму. Ввиду того, что уровень структурных шумов является результатом интерференции волн, многократно рассеянных от зерен материала, в методике оценивается интегральная характеристика структурного шума, определяемая как результат интегрирования структурного шума по всей рабочей зоне.In view of the fact that the level of structural noise signals, as well as any reflected signals, is significantly affected by the quality of the acoustic contact (especially in the case of rough surfaces, instability of the couplant layer), the choice of the reference signal is fundamental in the development of the technique. It is proposed to use as a reference signal from the "penetration" of the Rayleigh wave, due to its re-emission into the receiving prism. In view of the fact that the level of structural noise is the result of the interference of waves repeatedly scattered from the grains of the material, the method evaluates the integral characteristic of structural noise, which is determined as the result of integrating structural noise over the entire working area.
Описанный известный способ оценки размеров зерна был опробован на образцах толщиной от 16 мм, при этом использование известного способа для оценки размеров зерна в тонколистовом прокате (в диапазоне толщин от 0,3 до 1 мм) оказалось затруднительным, так как генерация продольных волн предполагает наличие контактной жидкости, которая демпфирует колебания из объекта контроля, и, тем самым, искажает результаты измерений.The described well-known method for estimating grain sizes was tested on samples with a thickness of 16 mm, while using the known method for estimating grain sizes in sheet metal (in the thickness range from 0.3 to 1 mm) turned out to be difficult, since the generation of longitudinal waves implies the presence of contact liquid, which dampens vibrations from the test object, and, thereby, distorts the measurement results.
Технической проблемой известных способов определения величины зерна, является их недостаточная точность, а также наличие ограничений, связанных с толщиной проката и непараллельностью его поверхностей. The technical problem of the known methods for determining the grain size is their lack of accuracy, as well as the presence of restrictions associated with the thickness of the rolled product and the non-parallelism of its surfaces.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности определения размеров зерна в листовом металлопрокате, а также снятие ограничений, связанных с толщиной объекта контроля.The technical result of the claimed invention is to increase the accuracy of determining the grain size in sheet metal, as well as the removal of restrictions associated with the thickness of the test object.
Указанный технический результат достигается за счёт применения способа определения размеров зерна в тонколистовом прокате, включающем генерацию на участке объекта контроля (ОК) серии ультразвуковых импульсов, приём сигналов, обусловленных взаимодействием этих импульсов с материалом ОК, амплитудно-частотный анализ принятого сигнала, осуществляемый после окончания воздействия ультразвуковых импульсов, выделение информативных параметров принимаемых сигналов, по значениям которых определяют средний размер зерна на исследуемом участке ОК, при этом частота максимума спектра F0, по крайней мере одного из ультразвуковых импульсов, излученных на исследуемом участке объекта контроля, удовлетворяет условию:The specified technical result is achieved through the use of a method for determining the grain size in sheet metal, including the generation of a series of ultrasonic pulses at the site of the control object (OC), the reception of signals due to the interaction of these pulses with the material of the OK, the amplitude-frequency analysis of the received signal, carried out after the end of exposure ultrasonic pulses, selection of informative parameters of the received signals, the values of which determine the average grain size in the investigated area of the OK, while the frequency of the maximum spectrum F0, at least one of the ultrasonic pulses emitted in the studied area of the control object, satisfies the condition:
F(N) < F0 < F(N+1) (1),F(N) < F0 < F(N+1) (1),
где F(N) и F(N+1) – частоты толщинных резонансов участка ОК с номерами, соответственно N и N+1, которые, в свою очередь, соответствуют условию толщинного резонанса: F(N) = C x N/2H и соответственно F(N+1) = C x (N+1)/2H, причём N – целые числа. where F(N) and F(N+1) are the thickness resonance frequencies of the OC section with numbers N and N+1, respectively, which, in turn, correspond to the thickness resonance condition: F(N) = C x N/2H and respectively F(N+1) = C x (N+1)/2H, and N are integers.
При этом для определения среднего размера зерна вычисляют значение показателя Р величины зерна по формуле:At the same time, to determine the average grain size, the value of the index P of the grain size is calculated according to the formula:
P = (1/(f2 -f1)) x
где S(f) – спектр трансформированной в частотную область информативной части принимаемого сигнала x(t); f1 и f2 – частоты, принадлежащие окрестностям частоты F0, которые, как правило, выбирают из диапазона, определенного формулой (1), причём, размер зерна G определяют по формуле:where S(f) is the spectrum of the informative part of the received signal x(t) transformed into the frequency domain; f1 and f2 are frequencies belonging to the vicinity of the frequency F0, which, as a rule, are selected from the range defined by formula (1), moreover, the grain size G is determined by the formula:
G = K1 x P + K2 x P2 + ... + KM x PM + Y (h, r) (3),G = K1 x P + K2 x P 2 + ... + KM x P M + Y (h, r) (3),
где K1 … KM – коэффициенты степенного ряда, a Y (h, r) - поправочный коэффициент, значение которого зависит от толщины h материала и расстояния r между ультразвуковым преобразователем и ОК, которые, как правило, определяют экспериментально, с применением образцов материала с известными значениями среднего размера зерна в них. where K1 ... KM are the coefficients of the power series, and Y (h, r) is the correction factor, the value of which depends on the thickness h of the material and the distance r between the ultrasonic transducer and the OC, which, as a rule, are determined experimentally using material samples with known values of the average grain size in them.
Технический результат также достигается тем, что генерацию ультразвуковых импульсов и приём сигналов из ОК осуществляют с помощью, по крайней мере одного электромагнитно-акустического преобразователя, а для выделения информативных параметров трансформации x(t)→S(f) используют временной интервал акустического или электромагнитного отклика, который начинается сразу после завершения электромагнитного влияния электромагнитного импульса, и оканчивается когда среднее значение амплитуды отклика становится соизмеримым со значением электрических шумов.The technical result is also achieved by the fact that the generation of ultrasonic pulses and the reception of signals from the OK is carried out using at least one electromagnetic-acoustic transducer, and the time interval of the acoustic or electromagnetic response is used to highlight the informative transformation parameters x(t)→S(f). , which begins immediately after the end of the electromagnetic influence of the electromagnetic pulse, and ends when the average value of the response amplitude becomes commensurate with the value of electrical noise.
Достижению технического результата способствует также то, что в качестве излучателя и приёмника упругих колебаний применяют электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) спиральной формы, характерный размер активной зоны (В) которого удовлетворяет условию: В ≥ 10 d, где d – максимально возможный размер зерна в исследуемом объекте, причём, с целью определения текущего значения зазора между ЭМАП и ОК и его последующей эффективной компенсацией, дополнительно осуществляют измерение параметров спектра информативного сигнала в зоне действия ультразвукового импульса, в частности, значения ширины и/или амплитуды и/или частоты максимума его спектра.The achievement of the technical result is also facilitated by the fact that an electromagnetic-acoustic transducer (EMAT) of a spiral shape is used as an emitter and receiver of elastic vibrations, the characteristic size of the active zone (B) of which satisfies the condition: B ≥ 10 d, where d is the maximum possible grain size in the object under study, moreover, in order to determine the current value of the gap between the EMAT and the OK and its subsequent effective compensation, the parameters of the spectrum of the informative signal in the area of the ultrasonic pulse are additionally measured, in particular, the values of the width and / or amplitude and / or frequency of the maximum of its spectrum .
Для оценки размеров зерна используют градуированные зависимости, получаемые по образцам с измеренным размером зерна металлографическим методом.To assess the grain size, graduated dependencies are used, obtained from samples with a measured grain size by the metallographic method.
Заявляемый способ поясняется изображениями.The claimed method is illustrated by images.
В основе заявляемого изобретения лежит обнаруженное авторами изобретения явление «упругих микрорезонансов».The claimed invention is based on the phenomenon of "elastic microresonances" discovered by the inventors.
Суть обнаруженного явления упругих микрорезонансов, возникающих между слабонагруженными поверхностями проката и границами зерен металла поясняется Фиг. 1.The essence of the discovered phenomenon of elastic microresonances arising between lightly loaded rolled surfaces and metal grain boundaries is explained in Fig. one.
Предположим, исследуемый объект контроля (OK) с плоскопараллельными границами помещен в иммерсионную среду. Зондирующий импульс (ЗИ) упругой волны, возбужденной ультразвуковым преобразователем (1), падает на поверхность образца толщиной Н, частично отражается от его поверхности, но часть энергии ЗИ входит в металл. После взаимодействия с границами металла и его структурой часть акустической энергии возвращается к ультразвуковому преобразователю и преобразуется им в электрический сигнал.Let us assume that the object under study (OK) with plane-parallel boundaries is placed in an immersion medium. A probing pulse (PS) of an elastic wave excited by an ultrasonic transducer (1) falls on the surface of a sample of thickness H, is partially reflected from its surface, but part of the PB energy enters the metal. After interacting with the boundaries of the metal and its structure, part of the acoustic energy returns to the ultrasonic transducer and is converted by it into an electrical signal.
Если спектр ЗИ был достаточно широкий, то, в общем случае, в спектре принятого сигнала будут содержаться как составляющие, соответствующие толщинным резонансам образца, так и частоты, обусловленные «микро-резонансными колебаниями», происходящими между одной из его поверхностей и границами зерен. На Фиг. 1 левая группа стрелок соответствует резонансным колебаниям образца по толщине, а остальные группы – «микрорезонансным» колебаниям между поверхностями ОК и границами зерен. If the IS spectrum was wide enough, then, in the general case, the spectrum of the received signal will contain both components corresponding to the thickness resonances of the sample and frequencies due to “micro-resonance oscillations” occurring between one of its surfaces and grain boundaries. On FIG. 1, the left group of arrows corresponds to resonant vibrations of the sample in thickness, and the remaining groups correspond to “microresonant” vibrations between the OC surfaces and grain boundaries.
Типичный спектр сигнала, принимаемого из образца, изображён на Фиг. 2, на котором показаны: F1 и F2 – частоты, соответственно, первого и второго толщинных резонансов ОК, между ними – частотные составляющие, соответствующие микрорезонансам на границах зерен; пунктирной линией условно показан спектр ЗИ. A typical signal spectrum received from a sample is shown in Fig. 2, which shows: F1 and F2 are the frequencies of the first and second thickness resonances of the OK, respectively, between them are the frequency components corresponding to microresonances at the grain boundaries; the dotted line conventionally shows the IS spectrum.
Условие первого резонанса: F1 = C/2H. То есть частота F2 второго резонанса, исходя из уравнения, вдвое выше: F2 = C/H, где С – скорость продольной волны в материале образца, Н – его толщина.First resonance condition: F1 = C/2H. That is, the frequency F2 of the second resonance, based on the equation, is twice as high: F2 = C/H, where C is the velocity of the longitudinal wave in the sample material, H is its thickness.
В первом приближении амплитуда каждого конкретного микро-резонанса «поверхность металла – граница зёрен» должна быть пропорциональна квадрату эффективного диаметра отражающей границы между зернами, и градиенту ее акустического импеданса. Частота f каждого конкретного микро-резонанса определяется расстоянием между границей и поверхностью и, поэтому, всегда удовлетворяет условию f > F1. Поскольку ОК имеет две поверхности, то каждая граница зерен может быть источником двух микрорезонансов. В направлении распространения энергии каждое зерно имеет две границы, и каждая из них является потенциальным участником упомянутых выше процессов. Результирующий сигнал, обусловленный многочисленными микрорезонансами, будет результатом энергетического сложения частных микрорезонансов. То есть, будут суммироваться квадраты амплитуд частных микрорезонансов, происходящих в активной зоне ультразвукового преобразователя. In the first approximation, the amplitude of each specific micro-resonance "metal surface - grain boundary" should be proportional to the square of the effective diameter of the reflecting boundary between the grains, and to the gradient of its acoustic impedance. The frequency f of each specific micro-resonance is determined by the distance between the boundary and the surface and therefore always satisfies the condition f > F1. Since an OC has two surfaces, each grain boundary can be a source of two microresonances. In the direction of energy propagation, each grain has two boundaries, and each of them is a potential participant in the processes mentioned above. The resulting signal, due to numerous microresonances, will be the result of the energy addition of partial microresonances. That is, the squares of the amplitudes of partial microresonances occurring in the active zone of the ultrasonic transducer will be summed up.
Резонансы между границами зерен имеют второй или даже третий порядок малости, и не вносят существенного вклада в результирующий сигнал. Таким образом, средняя амплитуда частотного отклика между толщинными резонансами при прочих равных условиях, будет зависеть от размеров отражающих границ зерен, их количества в активной зоне ультразвукового преобразователя, и среднего значения акустической анизотропии материала на уровне зерен.Resonances between grain boundaries are of the second or even third order of smallness and do not make a significant contribution to the resulting signal. Thus, the average amplitude of the frequency response between thickness resonances, other things being equal, will depend on the size of the reflecting grain boundaries, their number in the active zone of the ultrasonic transducer, and the average value of the acoustic anisotropy of the material at the grain level.
Амплитуда резонансов в точках F1 и F2 (толщинных резонансов) будет зависеть от ослабления акустической энергии на этих частотах, связанных с затуханием ультразвука (потерей энергии за счет ее перехода в тепло) и его рассеянием на зернах. Таким образом, амплитуды пиков F1 и F2 так же могут характеризовать средний размер зерен, особенно в материалах, где он имеет сравнительно небольшие значения.The amplitude of the resonances at points F1 and F2 (thickness resonances) will depend on the attenuation of the acoustic energy at these frequencies, associated with the attenuation of ultrasound (loss of energy due to its conversion into heat) and its scattering on grains. Thus, the amplitudes of the F1 and F2 peaks can also characterize the average grain size, especially in materials where it has relatively small values.
Качественный анализ описанных выше явлений показывает, что в случае очень малого размера зёрен (характерный спектр сигнала, принимаемого из образца с малым размером зерна показан на Фиг. 3) будут присутствовать только толщинные резонансы, амплитуда которых, при прочих равных условиях, тем больше, чем меньше зерно. Поскольку высокие частоты затухают быстрее, чем низкие, то размер зерна может характеризовать также отношение амплитуд первого и второго резонансов AF2/AF1.A qualitative analysis of the phenomena described above shows that in the case of a very small grain size (the characteristic spectrum of the signal received from a sample with a small grain size is shown in Fig. 3), only thickness resonances will be present, the amplitude of which, ceteris paribus, is the greater less grain. Since high frequencies decay faster than low frequencies, the grain size can also characterize the ratio of the amplitudes of the first and second resonances AF2/AF1.
Наоборот, в образцах с крупным размером зерна (характерный спектр сигнала, принимаемого из образца с крупным размером зерна показан на Фиг. 4) практически вся энергия взаимодействия упругих волн с материалом будет определяться микрорезонансами, а толщинные резонансы могут вообще отсутствовать.On the contrary, in samples with a large grain size (the characteristic spectrum of the signal received from a sample with a large grain size is shown in Fig. 4), almost all the energy of interaction of elastic waves with the material will be determined by microresonances, and thickness resonances may be completely absent.
Одновременный мониторинг и анализ амплитуд AF1 и AF2 в точках F1, F2 и среднего значения амплитуды A между этими точками создает предпосылки для безэталонного контроля среднего размера зёрен. Simultaneous monitoring and analysis of the amplitudes AF1 and AF2 at points F1, F2 and the average value of the amplitude A between these points creates the prerequisites for standard-free control of the average grain size.
Вместо пьезоэлектрического преобразователя с успехом может быть применен ЭМАП. Instead of a piezoelectric transducer, EMAT can be successfully used.
Основными достоинствами такого решения являются: The main advantages of this solution are:
1) Бесконтактность: не требуется иммерсионная жидкость. 1) Non-contact: no immersion liquid required.
2) Вместо продольных волн ЭМАП позволяет излучать и принимать по нормали к поверхности образца поперечные волны, обладающие существенно большей чувствительностью к границам зерен. Это обусловлено целым рядом обстоятельств, начиная от меньшей длины волны, и заканчивая существенно большим значением градиентов акустических импедансов. 2) Instead of longitudinal waves, EMAT makes it possible to emit and receive transverse waves along the normal to the surface of the sample, which have a significantly greater sensitivity to grain boundaries. This is due to a number of circumstances, ranging from a shorter wavelength to a significantly larger value of the acoustic impedance gradients.
3) Волнистость, кривизна материала не оказывают существенного влияния на результаты. 3) Waviness, curvature of the material do not have a significant impact on the results.
4) Широкий диапазон температур объекта контроля. 4) Wide temperature range of the test object.
5) ЭМАП весьма удобен для применения в системах непрерывного автоматического ультразвукового контроля проката в линии. 5) EMAT is very convenient for use in systems for continuous automatic ultrasonic testing of rolled products in a line.
В ЭМАП со спиральной катушкой площадь его активной зоны примерно равна площади катушки. In an EMAT with a spiral coil, the area of its active zone is approximately equal to the area of the coil.
В случае малых толщин и/или крупного зерна сигнал, обусловленный микрорезонансами, может обладать сильными флюктуациями, связанными с высокой неравномерностью распределения зерен и, соответственно, их акустических свойств и границ. Для повышения точности определения среднего размера зерна целесообразно производить усреднение результатов вдоль линии сканирования.In the case of small thicknesses and/or large grains, the signal due to microresonances may have strong fluctuations associated with a high uneven distribution of grains and, accordingly, their acoustic properties and boundaries. To improve the accuracy of determining the average grain size, it is advisable to average the results along the scanning line.
Заявляемый способ был реализован с помощью оборудования и программного обеспечения «SONAFLEХ» компанией Нординкрафт, и опробован в потоке производства рулонной стали на одном из европейских заводов, а также на одном из заводов в России. The claimed method was implemented using equipment and software "SONAFLEX" by Nordinkraft, and tested in the production of rolled steel at one of the European plants, as well as at one of the plants in Russia.
На первом этапе апробации предложенного метода, исследования производили в лабораторных условиях с использованием образцов листового проката толщиной 0,5 мм с известными размерами зерна. Размер зерна был определен металлографическим методом. По результатам лабораторных исследований были построены градуированные зависимости амплитуды спектра принятых сигналов от размеров зерна в прокате.At the first stage of approbation of the proposed method, studies were carried out in laboratory conditions using samples of sheet metal 0.5 mm thick with known grain sizes. The grain size was determined by the metallographic method. Based on the results of laboratory studies, graded dependences of the amplitude of the spectrum of received signals on the grain size in rolled products were constructed.
В соответствии с заявляемым способом для определения размеров зерна в листовом металлопрокате на участке объекта контроля (ОК) генерировали серию ультразвуковых импульсов и осуществляли приём сигналов, обусловленных взаимодействием этих импульсов с материалом ОК.In accordance with the claimed method, to determine the grain size in sheet metal, a series of ultrasonic pulses was generated at the site of the control object (OC) and signals were received due to the interaction of these pulses with the OC material.
На Фиг. 5 показан пример получаемых сигналов в листовом металлопрокате с размером зерна менее 50 мкм. On FIG. 5 shows an example of the received signals in sheet metal with a grain size of less than 50 μm.
На Фиг. 6 показан пример получаемых сигналов в листовом металлопрокате с размером зерна более 70 мкм.On FIG. 6 shows an example of the received signals in sheet metal with a grain size of more than 70 microns.
Затем, после окончания воздействия зондирующего импульса, производили амплитудно-частотный анализ принятого сигнала. Then, after the end of the impact of the probing pulse, the amplitude-frequency analysis of the received signal was performed.
На Фиг. 7 показан пример результата трансформации x(t)→S(f) при размере зерна менее 50 мкм (видны основные резонансы), а на Фиг. 8 показан пример результата трансформации x(t)→S(f) при размере зерна 100 мкм (видны микрорезонансы).On FIG. 7 shows an example of the result of the transformation x(t)→S(f) with a grain size of less than 50 µm (the main resonances are visible), and FIG. 8 shows an example of the result of the x(t)→S(f) transformation at a grain size of 100 µm (microresonances are visible).
Затем производили выделение информативных параметров принимаемых сигналов, по значениям которых определяли средний размер зерна на исследуемом участке ОК по формулам (1), (2) и (3).Then, the informative parameters of the received signals were extracted, the values of which were used to determine the average grain size in the studied area of the OK according to formulas (1), (2) and (3).
Для оценки размеров зерна также используют градуированные зависимости, получаемые по образцам с измеренным размером зерна металлографическим методом. Пример градуированной кривой показан на Фиг. 9.To assess the grain size, graduated dependencies are also used, obtained from samples with a measured grain size by the metallographic method. An example of a graduated curve is shown in Fig. 9.
Для апробации предложенного способа в заводских условиях был разработан и изготовлен преобразователь с воздушной подушкой (на Фиг. 10 показана система крепления преобразователя на объекте контроля). To test the proposed method in the factory, an air cushion transducer was developed and manufactured (Fig. 10 shows the transducer mounting system at the test object).
Испытания проходили в производственной линии листового проката толщиной 0,5 мм.The tests were carried out in a production line for sheet products with a thickness of 0.5 mm.
На Фиг. 11 показана схема крепления преобразователя на объекте контроля во время производственных испытаний, на которой обозначены: ЭМАП (2), воздушная подушка (3), прижимной цилиндр (4), объект контроля (5).On FIG. 11 shows the mounting scheme of the transducer on the object of control during production tests, on which are indicated: EMAT (2), air cushion (3), pressure cylinder (4), object of control (5).
По результатам испытаний было установлено, что расхождение результатов измерений размеров зерна предложенным способом с металлографическим методом оставляет не более 5 %.According to the test results, it was found that the discrepancy between the results of measuring grain sizes by the proposed method with the metallographic method does not exceed 5%.
Таким образом, было установлено, что с помощью заявляемого способа достигается технический результат, заключающийся в повышении точности определения размеров зерна в листовом металлопрокате, при этом, по его применению нет ограничений, связанных с толщиной объекта контроля. Thus, it was found that with the help of the proposed method, a technical result is achieved, which consists in increasing the accuracy of determining the grain size in sheet metal, while there are no restrictions on its use associated with the thickness of the test object.
Claims (10)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2782966C1 true RU2782966C1 (en) | 2022-11-08 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4539848A (en) * | 1983-08-01 | 1985-09-10 | Nippon Steel Corporation | Method of determining grain size using ultrasonic waves |
| JP2001343366A (en) * | 2000-06-02 | 2001-12-14 | Nkk Corp | Crystal grain measuring method and device for metal sheet |
| RU2187102C2 (en) * | 2000-05-11 | 2002-08-10 | Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет | Process of ultrasonic test of medium size of grain in material of moving sheets |
| RU2231056C1 (en) * | 2003-03-07 | 2004-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" | Method for ultrasonic controlling of material grain average size |
| RU2405140C1 (en) * | 2009-11-03 | 2010-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" (НИИ мостов) | Method of determining graininess characteristics of flat metal articles using ultrasound |
| RU2589751C2 (en) * | 2014-09-12 | 2016-07-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Method of determining the average grain diameter of metal products and device for its implementation |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4539848A (en) * | 1983-08-01 | 1985-09-10 | Nippon Steel Corporation | Method of determining grain size using ultrasonic waves |
| RU2187102C2 (en) * | 2000-05-11 | 2002-08-10 | Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет | Process of ultrasonic test of medium size of grain in material of moving sheets |
| JP2001343366A (en) * | 2000-06-02 | 2001-12-14 | Nkk Corp | Crystal grain measuring method and device for metal sheet |
| RU2231056C1 (en) * | 2003-03-07 | 2004-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" | Method for ultrasonic controlling of material grain average size |
| RU2405140C1 (en) * | 2009-11-03 | 2010-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" (НИИ мостов) | Method of determining graininess characteristics of flat metal articles using ultrasound |
| RU2589751C2 (en) * | 2014-09-12 | 2016-07-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Method of determining the average grain diameter of metal products and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Thompson et al. | Ultrasonics in nondestructive evaluation | |
| US6532821B2 (en) | Apparatus and method for evaluating the physical properties of a sample using ultrasonics | |
| Clorennec et al. | Laser ultrasonic inspection of plates using zero-group velocity lamb modes | |
| Nagy et al. | Surface roughness and the ultrasonic detection of subsurface scatterers | |
| Li et al. | Measurements of degree of sensitization (DoS) in aluminum alloys using EMAT ultrasound | |
| CN101750454B (en) | For ultrasound inspection methods and the related probes of noise founding materials | |
| Goujon et al. | Behaviour of acoustic emission sensors using broadband calibration techniques | |
| Sampath et al. | Evaluation of material degradation using phased array ultrasonic technique with full matrix capture | |
| RU2782966C1 (en) | Method for determining the grain size in sheet metal | |
| JP2007017298A (en) | Surface inspecting method and surface inspection device | |
| Murav’eva et al. | Comparative sensitivity of informative parameters of electromagnetic-acoustic mirror-shadow multiple reflections method during bar stock testing | |
| Krautkrämer et al. | Ultrasonic testing by determination of material properties | |
| RU2405140C1 (en) | Method of determining graininess characteristics of flat metal articles using ultrasound | |
| Bunget et al. | Novel approach of wavelet analysis for nonlinear ultrasonic measurements and fatigue assessment of jet engine components | |
| RU2334224C1 (en) | Method of ultrasonic measuring of average grain size | |
| RU2350944C1 (en) | Method for measurement of average size of material grain by surface acoustic waves | |
| Kachanov et al. | The use of complex-modulated signals to increase the accuracy of measurements of the velocity of ultrasound in concrete | |
| RU2141652C1 (en) | Method for ultrasonic check-up of mean grain size of materials | |
| Baev et al. | Specific features of excitation and propagation of longitudinal and transverse subsurface waves in solids: I. Waves in objects with a free plane boundary | |
| He et al. | Average grain size evaluation using scattering-induced attenuation of coda waves | |
| RU2589751C2 (en) | Method of determining the average grain diameter of metal products and device for its implementation | |
| JP4131893B2 (en) | Degradation judgment method for coating material | |
| Bunget et al. | Imaging fatigue damage precursors based on nonlinear phased array ultrasonic measurements of diffuse field | |
| RU2231054C1 (en) | Method of determination of degree of polymerization of composite materials | |
| RU2231056C1 (en) | Method for ultrasonic controlling of material grain average size |