Патент на изобретение №2280250
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДВУХФАЗНОГО КОМПОЗИТА
(57) Реферат:
Изобретение относится к неразрушающим средствам анализа свойств материалов акустическими методами. Техническим результатом изобретения является упрощение массового контроля состава двухфазных изделий и проведение его более экспрессно с необходимой точностью. Способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита заключается в измерении скоростей распространения идентичных колебаний в изделиях из каждого компонента и из контролируемого композита импульсным способом и в одинаковых физических условиях. Состав двухфазного композита определяют при условии V1
где С1, С2 – объемная концентрация фаз, доля; V1, V2, Vi – скорости распространения звука в изделиях из компонентов 1, 2 и из двухфазного композита соответственно, м/с.
Изобретение относится к неразрушающим средствам анализа свойств материалов акустическими методами и может быть использовано для массового экспрессного контроля состава двухфазных композитов (например, твердых сплавов на основе WC-Со, псевдосплавов типа W-Cu или таблеток ядерного топлива), в значительной степени определяющего условия их эксплуатации. Известен способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита [1], включающий измерение (например, продольных или поперечных) скоростей распространения ультразвука (УЗ) резонансным методом в изделиях переменного состава и определение состава по предварительно построенной градуировочной зависимости “состав – скорость УЗ”, где состав определяют известным (например, рентгеновским) методом. Однако трудоемкость и продолжительность построения градуировочной нелинейной зависимости каждый раз при анализе двухфазного композита из других компонентов не позволяет известный способ применять в условиях массового контроля. Известен также способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита [2], включающий импульсное измерение (например, продольных) скоростей УЗ в изделиях переменного состава и определение состава по предварительно построенной градуировочной зависимости “состав – скорость УЗ”, где состав определяют по взвешиванию входящих в шихту порошковых компонентов. Кроме трудоемкости и продолжительности построения градуировочной зависимости, появляется еще и неопределенность в самой зависимости “состав – скорость УЗ”, поскольку состав изделий, в которых измеряется скорость УЗ, может отличаться от шихтового состава в результате технологического процесса их изготовления. Этот способ также мало пригоден для массового экспрессного контроля состава двухфазных изделий. Более близким по технической сущности к предлагаемому способу и взятым за прототип [3] является способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита, включающий измерение скоростей распространения идентичных (например, продольных или поперечных) колебаний в изделиях из каждого компонента и из контролируемого композита. Недостатком указанного способа является то, что для определения состава двухфазного композита кроме отмеченных характеристик необходимо знание модулей упругости компонентов, волнового вектора в изделиях из первого компонента, радиуса частиц компонентов, плотности компонентов и композита, поскольку в теоретической модели [3] используются эти величины. Потребуются дополнительные усилия и значительное время для определения всей совокупности необходимых для анализа состава изделий из двухфазного композита, что, естественно, исключает экспрессность и пригодность этого способа для массового контроля. Перед авторами стояла задача упростить массовый контроль состава двухфазных изделий и осуществлять его проведение более экспрессно с необходимой точностью. Для реализации поставленной задачи предлагается способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита, включающий измерения скоростей распространения идентичных колебаний в изделиях из каждого компонента и из контролируемого композита, отличающийся тем, что измерение скоростей проводят любым известным способом в одинаковых физических условиях и затем по адекватной им модели расчета определяют состав при условии V1
где C1, C2 – объемная концентрация фаз, доля; V1, V2, Vi – скорости распространения звука в изделиях из компонентов 1 и 2 и из двухфазного композита соответственно, м/с. Скорость распространения идентичных (например, продольных) колебаний в изделиях зависит от температуры, приложенного напряжения, частоты, состава (пористости). Для плотных изделий в одинаковых физических условиях скорость звука может служить мерой их состава [4]. В прототипе определение концентрации каждого компонента в двухфазном композите основано на теоретической модели [3], в которой учитывается наличие двух типов рассеивателей 1 и 2 сферической формы с одним и тем же радиусом, а также модуля упругости каждого компонента, плотности компонентов и композита, волновой вектор в компоненте 1. В предлагаемом способе определение концентрации каждого компонента в двухфазном макроизотропном композите основано на законах сохранения импульса и энергии масс единичного объема на фронте распространяющейся волны через границу раздела фаз композита и компонентов. Кстати, отмеченные импульс и энергия пропорциональны акустическому сопротивлению и модулям упругости контактирующих фаз и выражаются через измеряемые скорости распространения идентичных упругих колебаний в изделиях из каждого компонента. В связи с изложенным скорости распространения идентичных колебаний измеряют в одинаковых физических условиях, что необходимо и достаточно для определения по адекватной им модели расчета состава двухфазных композитов при условии V1
где С1, С2 – объемная концентрация фаз, доля; V1, V2, Vi – скорости распространения звука в изделиях из компонентов 1 и 2 и из двухфазного композита, м/с. Отметим, что в предлагаемом способе исключены трудоемкие операции по изготовлению ряда двухфазных изделий переменного состава и их анализа, последующего измерения скоростей звука в них (например, резонансным или импульсным методами) для построения нелинейной градуировочной зависимости “состав – скорость УЗ” (как в аналогах). Кроме того, нет необходимости проводить измерения модулей упругости каждого компонента, плотности компонентов и композита, волнового вектора в компоненте 1 (как в прототипе). Таким образом, предлагаемый способ существенно упрощает массовый контроль состава двухфазных изделий и позволяет проводить его экспрессно с необходимой точностью. Предлагаемый способ, в частности, имеет дополнительную возможность определения пористости изделия, когда вместо материальной фазы 2 будут пустоты (т.е. V2=0). При этом расчетная формула (1) упрощается и выглядит следующим образом:
где Р – объемная концентрация пор, доля; Vo, Vp – скорости распространения УЗ в плотном и пористом изделиях соответственно, м/с. Способ осуществляют следующим образом. На партии изделий из твердых сплавов на основе WC-Со, композитов Au-W, компонентов WC, Со, W и Аи проводят идентичные (например, импульсные и др.) измерения скоростей распространения (например, продольных или поперечных) колебаний при нормальных условиях [1, 2, 3], после чего концентрацию компонентов определяют из приведенных соотношений (1) и (2), справедливых для отмеченных условий измерений. Примеры конкретного выполнения. Отметим, что в изделиях могут быть возбуждены и измерены любые упругие колебания в резонансном, импульсном и других режимах в одинаковых физических условиях. 1. В таблице 1 представлены известные результаты [1] определения резонансным методом модулей упругости Е и G изделий из твердых сплавов на основе WC-Со и компонентов WC и Со. Из приведенных данных по составу (в объемных и весовых %), определенному рентгеновским методом с погрешностью ±0.15%, следует, что связующая фаза имеет плотность, большую, чем чистый Со (8.65…8.8 г/см3), что обычно связывают с некоторой растворимостью W в Со. Для оценки изменения состава композита предлагаемым способом плотность Со (W) варьируют в диапазоне 8.79…9.0 г/см3, что, в свою очередь, однозначно определяет плотность композита WC-Со(W) по формуле для двухфазных смесей:
где CCo(W)=C2; Далее, из данных [1] по модулям упругости и плотности композитов, WC и связующей фазы Co(W) определяют измеренные в [1], но не приведенные в ней скорости распространения продольных (из Е) или крутильных (из G) колебаний в компонентах WC и Co(W) и композитах WC-Co(W). Из таблицы 1 видно, что при сближении выбираемой плотности
2. В таблице 2 представлены известные результаты [2] импульсных измерений продольных скоростей УЗ в композитах WC-Со. Для оценки продольных Vwc и VCo(W) в компонентах использовали экстраполяцию приведенных в работе [2] корреляционных зависимостей различных физико-механических свойств твердых сплавов от скоростей УЗ. В работе [2] состав твердых сплавов WC-Со, определенный по весу шихтовых компонентов WC и Со, находится в пределах ВК6…ВК15. Для сравнения с предлагаемым способом, кроме того, определяют состав С
3. В таблице 3 представлены необходимые данные для расчета предлагаемым способом состава композитов Au-W [3]. Предлагаемый способ просто решает проблему обнаружения в слитках золота включений вольфрама даже в виде мелких частиц, что было трудно осуществить методами УЗ дефектоскопии и взвешивания, поскольку плотности W и Au практически совпадают. В связи с наличием пористости в композите Au-W сначала по формуле (2) производят нормировку на беспористое состояние и определяют V0 композитов. Далее по формуле (1) определяют искомый состав композитов по импульсным продольным или поперечным скоростям УЗ (в работе [3] использовали 3 метода измерения) в компонентах и композитах. Некоторые расхождения в расчетах состава с использованием различных типов волн связано, очевидно, с возникшей после остывания анизотропией плавленого композита. Кроме того, нарушены условия 1) измерения скоростей УЗ одним методом и в одном частотном диапазоне (разная дисперсия), 2) двухфазности – отмечено наличие пористости в композитах. Тем не менее средние значения концентрации Au в W разумно согласуются с результатами [3], полученными тремя известными методами. В заключение следует отметить, что наличие анизотропии в изделиях, конечно, искажает средние объемные значения состава композитов. Однако если необходимо оценить структурную неоднородность или направленность в композите отдельных фазовых составляющих или пористости, оказывающих существенное влияние на большинство физико-механических свойств анизотропных материалов, то предлагаемый метод может служить чувствительным индикатором в этих случаях. Таким образом, недостаток в одних условиях превращается в достоинство при других обстоятельствах.
В работе [3] скорости УЗ и состав измеряли тремя методами:
Источники информации 1. A systematic investigation of elastic moduli of WC-Co alloys. H.Doi, Y.Fujiwara, K. Miyake et.al. Metal. Trans. V.1, 1970, N5, p.1417-1425 (аналог). 2. Pouziti ultrasvuku pri vyzkumu vlastnosti slinutych karbidu. V.Cech, R.Regazzo, “Z Mezinar. Konf. Prask. Met. CSSR: PM’ 87”, /Pardubice, 22-24 zari, 1987/, p.205-210, Sb. Pr. D. Sn. J., 1987 (аналог). 3. Ultrasonic velocity measurements of Au-W composites. – D.K.Mak, R.B.Steinfl, Nondestr. Test.Eval., vol.5, 1989, p.39-48 (прототип). 4. General relationships among sound speeds. 1. New experimental information – (D.H.Chung) II Theory and discussion – T.J.Shankland, D.H.Chung – Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol.8, 1974, р.113-120.
Формула изобретения
Способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита, преимущественно макроизотропного, включающий измерения скоростей распространения идентичных колебаний в изделиях из каждого компонента и из контролируемого композита, отличающийся тем, что измерения скоростей производят импульсным способом в одинаковых физических условиях и затем по адекватной им модели расчета определяют состав при условии V1
где С1, С2 – объемная концентрация фаз, доля; V1, V2, Vi – скорости распространения звука в изделиях из компонентов 1 и 2 и из двухфазного композита, соответственно, м/с.
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 24.11.2006
Извещение опубликовано: 20.06.2008 БИ: 17/2008
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vi
WC-Co(W), 