Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Исследуемый материал Железо

Диаметр зерна контролируемого материала 0.7 мм

Материал пьезоэлемента кварц, Х-срез

Волновое сопротивление дэмпфера 2,9 • 10⁶ Па • с/м

Тангенс угла потерь 0,035

Скорость УЗК в пьезоэлементе 5.76 • 10³ м/с

Диэлектрическая проницаемость пьезоэлемента 4,5

Волновое сопротивление железа 46.3 • 10⁶ Па• с/м

Напряжённость эл. поля для пьезоэлемента 1,8 • 10³ В/мм

Коэффициент эл. мех. связи 0,095 Б/р

Волновое сопротивление пьезоэлемента 15,3 • 10⁶ Па• с/м

Механическая добротность 50 • 10³ Б/р

Скорость УЗК в железе 5,93 • 10³ м/с

Введение

Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии.

Ультразвук занимает серьёзную позицию в контроле материалов в качестве приборов акустического контроля, которые делятся на:

· дефектоскопы, предназначенные в основном для обнаружения дефектов типа несплошностей;

· толщиномеры, рассчитанные на измерение толщины стенок изделий при доступе с одной стороны или для контроля толщины слоев покрытий на поверхности изделий;

· анализаторы физико-механических характеристик материалов, например структуромеры (для определения средних размеров зерен металла, формы графитовых включений в чугунах), твердомеры (для измерения твердости поверхности материалов акустическими способами), тензометры (для измерения напряжений и деформаций в изделии по изменению скорости УЗ), измерители упругих свойств и прочности (также по скорости ультразвука и др.). Часто все приборы этого назначения объединяют названием “структуроскопы”. [1]

В данной работе мы проанализируем идеи, которыми руководствуются при проектировании преобразователей, сформулируем требования к элементам и материалам, изучим свойства объекта контроля.

1. Физические свойства, структура, фазовые состояния, условия получения, механические свойства объекта контроля

Желемзо -- элемент восьмой группы (по старой классификации -- побочной подгруппы восьмой группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).[2]

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) -- ковкий металл серебристо-белого цвета (рис.1) с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Рисунок 1. Внешний вид простого вещества

Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железоникелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре -- 4,65 % (4-е место после O, Si, Al^[2]). Считается также, что железо составляет большую часть земного ядра.

Физические свойства

Железо -- типичный металл, в свободном состоянии -- серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности -- углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» -- группу трёх металлов (железо Fe,кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации [3]:

· до 769 °C существует б-Fe (феррит) с объёмно-центрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ? 1043 K -- точка Кюри для железа);

· в температурном интервале 769--917 °C существует в-Fe, который отличается от б-Fe только параметрами объёмно-центрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;

· в температурном интервале 917--1394 °C существует г-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;

· выше 1394 °C устойчиво д-Fe с объёмно-центрированной кубической решёткой.

Металловедение не выделяет в-Fe как отдельную фазу, и рассматривает её как разновидность б-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ? 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком -- происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

· от абсолютного нуля до 910 °C устойчива б-модификация с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой;

· от 910 до 1400 °C устойчива г-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой;

· от 1400 до 1539 °C устойчива д-модификация с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо--углерод). Твёрдый раствор углерода в б- и д-железе называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный д-феррит и низкотемпературный б-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы. Твёрдый раствор углерода в г-железе называется аустенитом.

· В области высоких давлений (свыше 13 ГПа, 128,3 тыс. атм.) возникает модификация е-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря б--г переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами. Таким образом, железо относится к металлам средней активности.

Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения -- 2862 °C.

Фазовые состояния

В системе железо -- углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит [4].

Жидкость - жидкий раствор углерода в железе - фаза, имеющая ближний порядок с преобладанием металлической связи. Строение раствора зависит от концентрации углерода. При малых его содержаниях (до 0,2% по массе) первая координационная сфера соответствует размытой решетке о. ц. к. В интервале 0,2-0,6% С наблюдается переход к размытой г. ц. к. упаковке. При содержании углерода более 2% в жидком растворе появляются микрогруппировки атомов углерода, величина которых составляет 10^-9-10^-8 м. Тенденция к микроразделению компонентов - общая черта сплавов эвтектического типа. Кроме того, ионы углерода разрыхляют структуру жидкого раствора - вязкость и поверхностное натяжение снижаются, по мере увеличения концентрации углерода.

Графит - свободно выделившийся углерод, наблюдаемый в сплавах с содержанием углерода более 2,14%. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он имеет слоистое строение и обладает низкой твердостью, высокой электропроводимостью и теплопроводностью, способностью гасить вибрации.

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом со сложной ромбической кристаллической решеткой, содержит 6,67% С (по массе). В его элементарную решетку входят 12 атомов железа и 4 атома углерода. Упаковка атомов железа в цементите (субрешетка железа) имеет ромбическую симметрию. В субрешетке имеются октаэдрические и призматические поры. Один из вариантов изображения элементарной ячейки цементита приведен на рисунке 2.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Элементарная ячейка цементита

Твердость цементита очень высока (1000 HV, 70 НRC, 800 НВ), но он хрупкий. Температура плавления цементита зависит от его состава (в состав цементита могут входить тугоплавкие элементы - хром, молибден и др.) и находится в широких пределах 1250-1600°С.

Магнитные свойства цементит теряет при температурах выше 210 С. Уместно подчеркнуть сходство в строении цементита и графита: в обеих фазах атомы внутри слоя ковалентно связаны, а между слоями существуют ненаправленные связи. Это сходство подтверждается обликом и слоистой структурой этих фаз, растущих в железоуглеродистых расплавах в виде плоских дендритов. Цементит, как и графит, обладает металлической проводимостью, обеспечиваемой коллективизацией электронов между слоями. Будучи метастабильной фазой, цементит может распадаться на феррит и графит или на аустенит и графит.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в -железо с максимальным содержанием углерода 0,02% при 727°С и 0,006% при нормальной температуре. Феррит магнитен до температуры 768 °С. По своим свойствам феррит достаточно мягок и пластичен (НВ 65-130; = 30%; _в = 300 МПа). Твердый раствор внедрения углерода в -железо называется высокотемпературным ферритом. Он существует в диапазоне температур 1392-1539°С.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в -железо с максимальным содержанием углерода 2,14% при 1147°С и 0,8 % при 727°С. Аустенит немагнитен. При температуре ниже 727 °С аустенит или превращается в феррит при низком содержании углерода, или распадается на цементит и феррит, образуя перлит, при высоких содержаниях углерода. Аустенит пластичен, твердость его НВ 160-200, = 40-50%.

Микроструктуры феррита и аустенита приведены рисунке 3.

Рис. 3. Микроструктуры (а) феррита и (б) аустенита, Ч 400

Перлит - это эвтектоид, состоящий из двух фаз - феррита и цементита (рис. 4). Образуется перлит при температуре ниже 727°С в результате разложения аустенита на феррит и цементит. Содержание углерода в нем 0,8 %.

Рис. 4. Микроструктура перлита, Ч 1000

Ледебурит - это эвтектика, состоящая из аустенита и цементита, образующаяся при концентрации углерода 4,3% в диапазоне температур 1147-727°С. При температурах ниже 727°С аустенит превращается в перлит, и ледебурит состоит из смеси перлита и цементита.

Следует обратить внимание на то, что твердые растворы на основе - и -железа с решеткой типа ОЦК резко отличаются по предельному содержанию углерода в сравнении с раствором на основе -железа с гранецентрированной кубической решеткой. Такая резкая разница в способности растворять углерод объясняется тем, что в гранецентрированной кубической решетке, несмотря на более плотную упаковку атомов, имеются большие незаполненные области в центрах элементарных ячеек. Именно в этих местах и размещаются атомы углерода, которые несколько деформируют кристаллическую решетку и вызывают увеличение линейных размеров элементарной ячейки. При определенной концентрации углерода в твердом растворе его атомы вызывают настолько большие искажения в решетке, что она делается неустойчивой, и появляется другая фаза - карбид. В железе с объемно-центрированной кубической решеткой атомы углерода размещаются в центрах граней элементарной ячейки; т.к. в этих местах промежутки между атомами железа значительно меньше, то предельные искажения решетки наступают при существенно меньших содержаниях углерода. Кроме того, атомы углерода могут располагаться в местах точечных дефектов кристаллической решетки - «вакансиях».

Углерод в сплавах с железом может кристаллизоваться в зависимости от скорости охлаждения в структурно свободном виде (элементарный углерод-графит) или в связанном состоянии в виде карбида железа Fe₃C (цементит), поэтому рассматривают два варианта диаграммы состояния: система железо - карбид железа (Fe - Fe₃C) и система железо - графит (Fe - С). Диаграмма Fe - Fe₃C представлена на рисунке 5.

Система железо - карбид железа должна рассматриваться как неустойчивая, метастабильная, а система железо - графит - как устойчивая. Диаграмму той или другой системы следует использовать, исходя из реальных условий, в которой были получены сплавы.

В чугунах, рассматриваемых по диаграмме Fe - Fe₃C, весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Все точки на диаграмме состояния имеют общепринятые обозначения, поэтому их необходимо запомнить.

Точка А соответствует температуре плавления чистого железа (1539°С), а точка D - температуре плавления цементита (1550-1600°С). Процесс кристаллизации сплавов железо - углерод (в зависимости от содержания углерода) начинается при температурах линии АBCD. Эта линия называется линией ликвидус.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Диаграмма фазового состояния системы железо - цементит

Условия получения.

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (FeO·Fe₂O₃).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства -- восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода:

В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III):

Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например, кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида:

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак -- метасиликат кальция:

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности -- это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

,

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Механические свойства.

Механические свойства железа:

предел прочности при растяжении _в = 250-300 МПа,

относительное удлинение = 40 %,

относительное сужение = 70 %, т.е. железо хорошо подвергается пластической деформации.

Из других свойств наиболее важными являются:

- удельное электрическое сопротивление (при 20 °С) - 1,0·10^-7 Ом·м;

- температурный коэффициент электрического сопротивления - 6,5·10^-3 К ^-1;

- модуль Юнга (Е) - 2·10⁵ МПа;

- модуль сдвига (G) - 0,8·10⁵ МПа;

- удельная теплоемкость (при 20 °С) - 0,465 кДж/(кг·К).

Для сравнения приведем механические характеристики некоторых металлов и сплавов (Таблицы 1,2).

Таблица 1.

Таблица 2.

2. Расчет пьезоэлектрического преобразователя

пьезоэлектрический контроль ультразвуковой прибор

2.1 Выбор материала пьезопластины

Выбранный метод УЗ неразрушающего контроля, конфигурация объекта контроля и условия контроля оказывают существенное влияние на конструкции пьезопреобразователей. В данном случае объектом контроля является железо. Довольно крупное зерно данного материала ограничивает применимые частоты диапазоном ниже 100 кГц, если длина объекта более 1 метра. Однако при таких частотах нельзя получить сфокусированные звуковые пучки. Поэтому необходимо вводить ультразвук наклонно к поверхности изделия. Преобразователи, предназначенные для этой цели называют наклонными. Пьезоэлемент в них размещают на специальной линии задержки. Для работы преобразователя используют продольные волны. В качестве материала пьезоэлемента используется кварц.

2.2 Выбор частоты УЗ волн и геометрических размеров пьезопластины

Рассчитаем коэффициент электромеханической связи в по формуле [5]:

,

где е - пьезоэлектрическая константа пьезоэлемента (ПЭ);

- плотность ПЭ;

- скорость звука в ПЭ;

= 8.85 - диэлектрическая проницаемость вакуума;

- диэлектрическая проницаемость ПЭ

Частота УЗК ѓ определяется размерами дефектов в объекте контроля (ОК). Если этот размер определён диаметром дефекта , то необходимо соблюдение условия:

^,

где

- скорость звука в ОК; с₁=5,93•10³ м/с.

Из последней формулы определяем частоту УЗК пьезопреобразователя:

.

Толщину пьезопластины делают равной половине длины волны в материале пьезоэлемента:

,

где - скорость ультразвука в пьезоэлементе.

В серийно выпускаемых ПЭП выдерживается условие:

, мм.

где 2а - диаметр пьезопластины;

- длина волны в ПЭ.

2.3 Определение ёмкости пьезопластины и максимального электрического напряжения подаваемого на поезопластину

Диэлектрическая проницаемость пьезопластины е определяет её ёмкость как плоского конденсатора:

,

где =9.077*10^-6 м².

- диэлектрическая проницаемость вакуума.

Максимальное электрическое напряжение , которое может быть подано на пьезопластину от генератора определяется зависимостью

где - напряженность максимального электрического поля пьезоматериала (справочник).

2.4 Акустическая добротность пьезопластины

Зависимость для определения акустической добротности:

,

где - акустический импеданс демпфера (справочник);

=(5.76*10³)*(2.65*10³)=1.526*10⁷ .

=(5.93*10³)*(7.8*10³)=4.625*10⁷ .

Рассчитаем акустическую добротность

1) при излучении в ОК (согласно варианту задания для ОК);

2) при излучении в призму ПЭП из оргстекла Па с/м²);

3) при излучении в воду Па·с/м²).

2.5 Расчет схемы замещения пьезоэлектрического преобразователя

2.5.1 Комплексное электрическое сопротивление пьезопластины, нагруженной на демпфер и оргстекло

Рис.6. Схема замещения ПЭП.

На схеме ПЭП представлен в виде эквивалентного электрического сопротивления:

Оно состоит из емкостного сопротивления пьезопластины и пьезосопротивления , обусловленного пьезосвойствами (рис.6).

Емкостная составляющая определяется:

где - угловая частота;

С - ёмкость конденсатора. С=1,063•10^-12 Ф.

Активная составляющая определяется:

Ом ,

где - волновое число пьезопластины;

h - толщина пьезопластины по п.З;

по п.6;

Па·с/м^{2 -} акустический импеданс оргстекла.

Реактивная составляющая определяется

,

где С - ёмкость пьезопластины.

Теперь окончательно для комплексного эквивалентного сопротивления ПЭП имеем:

В последнее выражение подставить значения , определённым по предыдущим пунктам.

Для достижения максимального электрического напряжения на пьезопластине при настройке контура подбирают индуктивность такой, чтобы скомпенсировать реактивное сопротивление в контуре.

Следовательно

где - емкостное сопротивление из выражения для комплексного эквивалентного сопротивления ПЭП по п.7., а величина индуктивности определяется

.

Итак, суммарное электрическое сопротивление цепи генератора становится чисто активным



Величина резистора , с которого снимают сигнал на усилитель дефектоскопа, определяет электрическую добротность контура, которая в свою очередь влияет на передаточную функцию ПЭП. Сопротивления потерь, показанные на схеме рис.4 определяют внутреннее активное сопротивление пластины, из-за которого не может стать чисто реактивным.

Рассчитываем диэлектрические потери (рис.7):

Рис.7. Сопротивления диэлектрических и механических потерь пьезопластины.

Ом ,

Ом.

где - тангенс угла потерь, определённый по справочнику для материала пьезопластины;

- механическая добротность для материала пьезопластины (справочник).

Чувствительность ПЭП.

Повышение чувствительности требуется для получения сигналов большой амплитуды. Чувствительность ПЭП описывает передаточная функция. При излучении она позволяет найти акустический сигнал по известному электрическому, а при приёме - наоборот.

Модуль передаточной функции двойного преобразователя для схемы замещения ПЭП на резонансной частоте электрического контура, совпадающей с частотой антирезонанса пьезопластины при нагрузке на протяженные среды без промежуточных слоёв, определяется выражением:

,

где - акустическая добротность пьезопластины;

- электрическая добротность контура.

Максимального значения достигает при

,

где - акустическая добротность пьезопластины при излучении в призму из оргстекла п.6.2.

В этом случае модуль передаточной функции будет равен

.

Оптимальному значению электрической добротности электрического контура будет соответствовать значение на схеме замещения:

Ом.

2.5 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ПЭП

АЧХ представляет собой зависимость

для конкретного ПЭП. Для построения АЧХ используем зависимость из п.9:

,

где - акустическое сопротивление по п.6;

шаг 0,1.

Результаты расчётов для АЧХ при изменении от 0,5 до 1,5помещены в таблице 3 (шаг ) (рис.8).

Таблица 3.

0,5щ0	0,6щ0	0,7щ0	0,8щ0	0,9щ0	1.0щ0	1.1щ0	1.2щ0	1.3щ0	1.4щ0
0,07636	0,08054	0,08323	0,8485	0,08567	0,08591	0,08572	0,0852	0,08445	0,08352



Рис.8. Амплитудно-частотная характеристика ПЭП.

Как видно из характеристики максимальное значение модуль имеет при и , а при увеличении или уменьшении относительной частоты величина уменьшается.

2.7 Определение геометрических размеров призмы наклонного ПЭП

Рассчитаем параметры призмы из оргстекла. Скорости продольной и поперечных волн по справочным данным для оргстекла равны:

=2650 ; 1120 .

Расчёту подлежат угол и размеры обеспечивающие отсутствие помех при совмещённом способе контроля стали (см. рис.9)



Рис.9. Призма ПЭП.

Угол ввода ультразвука г в контролируемый маталл определяется технологическими особенностями контроля объекта исследования и выбирают в диапазоне .

Угол призмы , т.е. угол падения, рассчитываем по формуле синусов:

,

где - скорость волны в изделии (ОК).

С учётом того, что исследование проводим поперечной волной, то (для ОК) и следовательно угол призмы равен:

;

где =3,23*10³ - скорость поперечной волны в ОК.

При конструировании призмы наклонного ПЭП обращают внимание на то, чтобы отраженные от поверхности призма - изделие волны попадали в ловушку, а не на пьезопластину. Исходя из этого, стрела преобразователя , должна быть равна:

;n>20 мм.

где а - радиус пьезопластины.

Расстояние делают большим, чтобы лучи нижней части пьезопластины после отражения от нижней границы призмы и трансформации на продольные и поперечные волны не падали на верхнюю часть пьезопластины. Для этого нужно выполнить условие:

> мм;

где - угол отражения поперечных волн в призме.

Для улучшения гашения УЗ волн в ловушке грани её делают иногда ребристыми или в ловушке сверлят много отверстий.

3. Конструирование пьезоэлектрического преобразователя прибора ультразвуковой структуроскопии

Выбор ПЭП определяется конфигурацией изделия, условиями определения структуры [6]. Промышленностью выпускаются ПЭП различных типов. Наиболее распространёнными являются прямые и наклонные ПЭП. Прямым нормальным преобразователем в изделие вводят только продольные волны; возбуждение же одновременно продольных и поперечных волн осуществляют наклонным преобразователем. Это обеспечивается благодаря тому, что в отличие от прямого наклонный преобразователь (рис. 10) имеет призму (линию задержки), на которую под определенным углом прикрепляют пьезоэлемент. Пьезоэлемент 3 излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляются, трансформируются и частично отражаются в призму.

Рис 10. Пьезоэлектрический преобразователь в разрезе

Пьезопластину ПЭП выполняют обычно круглой. Размеры выбирают с учетом поля излучения-приема. Увеличение диаметра сужает диаграмму направленности в дальней зоне, но в то же время увеличивает протяженность ближней зоны, где оценка размеров и местоположения дефектов затрудняется наличием максимумов и минимумов сигнала. Целесообразно применять пластины малого размера для контроля тонких изделий и большого - для контроля изделий значительной толщины.

На поверхности пьезопластины методами вжигания, осаждения или напыления в вакууме наносят серебряные, никелевые или медные электроды 5, которые системой проводников соединяют с кабелем, а через него с структуроскопом. Внешнюю оплетку кабеля и наружную сторону пьезопластины соединяют с металлическим корпусом преобразователя.

Пьезопластину прижимают к демпферу 4, который повышает ее механическую прочность и расширяет полосу пропускания. Для того чтобы УЗ-колебания, отраженные от задней поверхности демпфера, не вызывали помех, демпфер изготовляют из звукопоглощающего материала, например из полистирола. Это приближает волновое сопротивление демпфера к волновому сопротивлению пьезопластины и увеличивает широкополосность преобразователя. При контроле изделий большой толщины, когда разрешающая способность не имеет существенного значения, а повышение чувствительности весьма желательно, применяют демпфер с малым волновым сопротивлением.

Одним из важных элементов, определяющих эксплуатационные характеристики наклонных преобразователей является призма 1. При разработке этих ПЭП размеры, форму и материал призмы надо выбирать таким образом, чтобы она имела наилучшую реверберационно-шумовую характеристику и по возможности удовлетворяла следующим требованиям: обеспечивала эффективное затухание колебаний, переотраженных от границы раздела призма -- изделие и распространяющихся в призме, и в то же время не сильно ослабляла ультразвуковые волны на коротком участке пути от пьезоэлемента до изделия. Скорость звука в материале призмы по возможности должна быть минимальной, так как чем меньше скорость продольных волн в материале призмы, тем выше коэффициент преломления (трансформации) и меньше вероятность образования поверхностной волны при прозвучивании нижней части шва прямым лучом. Призмы с малой скоростью звука обеспечивают более поздний приход полезного сигнала по сравнению с реверберационными помехами. Кроме того, малая скорость звука увеличивает путь, по которому акустические помехи попадают на пьезоэлемент. Наряду с отмеченными требованиями материал призм должен обладать хорошей износостойкостью, смачиваемостью и значительным пределом термостабильиости. Всем перечисленным требованиям не может удовлетворять какой-то один материал, поэтому в зависимости от конкретных условий предпочтение отдают тому или другому материалу. В эхо-импульсной дефектоскопии на частотах 2 ... 8 МГц наиболее распространены материалы на основе акриловых пластмасс (оргстекло, полистирол, полиамид и т, п.). Корпус 6 должен обеспечивать прочность конструкции, а также экранировку пьезоэлементов и выводов от электромагнитных помех.[9]

Вывод

В ходе расчета курсовой работы были выполнены такие задачи:

1. Рассчитана толщина кварцевой пьезопластины h=3,4 мм, диаметр d=7 мм. Также были рассчитаны параметры призмы ПЭП: угол наклона б=40?, расстояние ОО`?7.35 мм.

2. Рассчитан и построен график АЧХ для данного пьезоэлектрического преобразователя.

3. Составлены технические требования к материалам деталей ПЭП.

4. Изучены физические свойства, структура, фазовые состояния, условия получения и свойства железа в качестве объекта контроля.

5. Сконструирован пьезоэлектрический преобразователь.

Список использованной литературы

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. - М.: Маши¬ностроение, 2004. - 864 с.: ил.

2. ru.wikipedia.org/wiki/%C6%E5%EB%E5%E7%EE

3. Карл Бакс. Богатства земных недр. М.: Прогресс, 1986, стр. 244, глава «Железо»

4. Материаловедение. Часть 2. Автор:Б.Н. Арзамасов Издатель:М. «Машиностроение» Год:1986 Страниц:184.

5. Методические указания по расчету и проектированию пьезоэлектрических преобразователей для выполнения расчетно-практических работ по дисциплинам «Акустический контроль», «Приборы ультразвуковой диагностики», «Приборы и системы экологического мониторинга» для студентов, обучающихся по направлению «Приборостроение». Сост.:Спивак А.Н.- Луганск: Изд-во Восточно-украинского национального университета им. В. Даля, 2011. -20 с.

6.http://nashaucheba.ru/лекции_по_дисциплине_акустические_приборы_и_системы_неразрушаюшего_контроля?page=3

Размещено на Allbest.ru