39. Акустический контроль физико-механических характеристик материалов (твердость, прочность). Особенности методики и аппаратуры.

Акустические методы широко применяются для контроля таких физико-механических параметров, как: твердость материалов, прочность, модули упругости, степень текстурированности, структура (величина зерна) и т.д. Их применение основано на связи этих параметров с акустическими характеристиками материалов: скоростью распространения и коэффициентом затухания упругих волн, характеристическим импедансом и т.д.

Контроль твердости материалов:

Контроль и измерение твердости материалов выполняют посредством датчика в виде продольно колеблющегося стержня 1 (рисунок 23) с алмазным индентером на конце, который прижимают к объекту с постоянной силой. Глубина внедрения индентера с увеличением твердости уменьшается. При этом уменьшается площадь зоны контакта с объектом и, следовательно, увеличивается контактная гибкость K_K. При большом модуле механического импеданса z_H изделия в зоне контакта нагрузка на стержень определяется практически только упругим сопротивлением контактной зоны, т.е.

(20)

При этом собственная частота нагруженного стержня однозначно связана с z_K и, следовательно, с твердостью измеряемого объекта.

Рисунок 23 – Схема измерения твердости материала

Например, фирма «Даве инструмент» выпускает ультразвуковой твердомер «Сонодур». Он измеряет собственную частоту колебательной системы, приведенной в контакт с объектом. Колебательная система состоит из никелевого стержня с алмазной пирамидой на конце. Датчик включен в цепь измерительной части прибора, которая преобразует изменение частоты в электрический сигнал, по которому судят о твердости. Индикатор проградуирован в единицах твердости по Роквеллу с пределом HRC 20..70. Частота рабочая - 40 кГц.

По такому же принципу работает отечественный прибор АМ-311. Более точный прибор ПКН-66, к которому приложены образцы с заданной твердостью. Прибор может работать в автоматическом режиме.

Существуют методы контроля твердости по резонансной частоте образца и скорости распространения упругих волн в нем. При этом строится эмпирическая зависимость твердость - резонансная частота, по которой определяется искомый параметр.

Контроль прочности материалов:

Ультразвуковые методы контроля прочности основаны на зависимости прочности от акустических параметров материалов.

Рассмотрим, например, метод контроля прочности стеклопластиков.

Стеклопластики являются ортотропными материалами, прочность и упругие свойства которых зависят от направления армирующих волокон. Прочность стеклопластиков, применяемых для изготовления конструкций, проверяют импульсным методом на частотах 100..150 кГц. При этом измеряют два параметра материала - скорость звука с и коэффициент затухания . Искомую прочность определяют по формуле

(23)

где  - предел прочности; А и В - постоянные коэффициенты.

Способ реализуется следующим образом. Излучающий 1 (рисунок 25) и приемный 2 преобразователи устанавливают на поверхность стеклопластика. При этом расстояние между ними обычно составляет l₀=200 мм. Определяют скорость звука c=l₀/t. Для измерения затухания один из преобразователей устанавливают на расстоянии l₁=l₀/2. Измеряя с помощью аттенюатора изменение амплитуды принятого сигнала находят значение .

Рисунок 25 – Схема измерения прочности стеклопластика

По полученным значениям с и плотности  вычисляют модуль Юнга. Значение модуля находят по особой методике с учетом ортотропности стеклопластика. Коэффициенты А и В определяют на образце из этого же материала. Образцы разрушают, испытывая на прочность, и определяют ₁ и ₂ для направлений основы и утка.