测定金属和合金的近表层内的结构相不均匀性的方法

专利名称：测定金属和合金的近表层内的结构相不均匀性的方法
技术领域：
本发明属于材料缺陷试验法，该方法可以应用在机械制造，航空，运输，微电子，金属加工和其它技术领域，以便检测出金属和合金表层内的结构相的不均匀性，以及测定出这一不均匀性的特征数据。
对金属和合金的无损检测的涡流一热电偶检测，X射线照相检测、毛细管显微控制、声学显微检测和光学显微检测等方法及其所有的变换装置是现代无损检测技术领域专业人员所熟知的。已有的这些方法能测定出金属和合金表面或内部的不均匀性(微裂纹，气孔，夹杂物等等)以及进行定量分析评估(Gus′，A.N.等编辑Gus′，A.N..Kiew，Naukovadumka，1981，第5-58及115-145页)。
但是已有的方法和装置却不能测定出在金属和合金表面下5-10μ深处的表层内的结构相的不均匀性，也就是说，不均匀性表征了承载的金属和合金零件上表面损坏之前所呈现的状态在从前的诊断中不能预报这些零件缺陷的状态。
一种相关的测定在金属和合金表近层内结构相的不均匀性的公知方法是用声波探测待检查的表面，测量出反射的声信号的强度，然后同已预先给定的阀值的强度相比较，并且记录就这个表明现存的不均性的特征超过的阀值强度(参见“无损伤试验”第5卷，卷2中“声学检测方法”实习用书/I.N.Briolov及M，Vyss.skola，1991年第5页)。
上述方法不能精细地探测直至金属和合金10μ厚度表层内由晶格的微应变引起的不均匀性。由于在金属或合金内声信号的阻尼系数增至很大，而使声信号的振动传播的路程减小，因而该方法不可能实现上述要求。
此外，还有一种检查金属和合金表面层内不均匀性的装置，它包括超声波发射器反射信号的接收器，反射信号的强度分析器，阀元件和指示器(参见苏联1260851号发明人证书MKIGOI1986年4月29日)。
与前述的方法一样，该装置在探测浓度和识别不均匀性的大小方面均有局限性。
更相关的现有技术是已申请专利的一种确认金属和合金的表层内结构相的不均匀性特征数据的方法，及其有关的实用转换装置(“材料缺陷试验法”，1987年第9其第45-52页)。
上述的这个方法包括，屏蔽那个受外加激励的待检查的表面。用离子射线束对那个屏蔽的表面进行辐射，测出势垒的接触电位差，根据该电位差值判断所述不均匀性。
实现这一方法的装置包括一个带有屏蔽罩的测量电极和位于两者之间的屏蔽网，一个位于屏蔽罩下面的离子的射线源和一个指示器。
由于公知的测定不均匀性特征数据的方法及其所用的变换装置存在一系列的缺点，因而使其不能在承载零件表面破坏之前提供关于组成这些零件的金属或合金的表面和表近层内的结构相不均匀性方面的有用信息。
本发明的方法用于测定金属和合金的近表层中结构相的不均匀性特征数据，通过一个装置完成其所需的变换，从而保证检测不均匀性(缺陷)时具有高可靠性，并且对深度从5至10μ的表面层内的不均匀性特征数据给出一个准确的定量的评价。
为达到上述目的，屏蔽受外加激励的待检测表面，这个激励作用可以引起该待测表面发射电荷;用离子源辐射已屏蔽的表面，在待检测表面上任选的n个区域内的电流载流子电荷的浓度由固有的发射和次级发射(由辐射引起的)决定;使测量电荷浓度的实际值转换成同待检测表面的区域总数相对应的n个局部信号可以获得不均匀性的特征数据;这里的n≥2。
通过使对屏蔽表面的辐射过程和电流载流子电荷浓度的测量稳定化，以及在该方法中增加了一个作用于辐射范围和测量范围的电场，该电场的强度同所接收的那些局部信号的算术平均值成正比例，从而提高了本方法的识别金属和合金表层内不均匀性的可靠性和测定不均匀特征数据的精确性。
由于对要检查的表面的屏蔽，对其有关的辐射和测量在发射流中的电荷浓度都是根据一个预定的程序在对待检查的表面扫描过程中实现的。
而使测定的准确性和精度提高，过程的持续时间缩短。
不均匀性特征数据可以根据各种不同的方式来确定，特别是通过将“n”个局部电信号转变成一个色码，继而通过所收到的色彩标度的显示，将其颜色分量与预先给定的值加以比较后确定该特征数据。
不均匀性的特征数据也可以按下述方式测定将“n”个局部电信号中的任一个与一个经过计算出的预定的值Uoi(t，△a)相比较，该值是代表在从查的表面的可能存在的不均匀性的特征值，然后根据比较的结果推断出差异信号的最小值minδε＝δUki(t，△a)-δU′vi(t，△a)通过一个具有分离的低频和高频信号分量的网络使有效的信号分离，并将分离后的有效信号乘以可变的权重系数K，计算关系参见下列等式
式中，б-相对于各种金属和合金的经验计算系数;
G(t)-已知的在相间边界外的变形增长的扩散系数;
N-1(t)-电过程检测的噪声矩阵的逆阵。
不均匀性增量的实际值可用下列等式计算得出δ △ a =δ △ a2x + δ △a2y]]>△ax，△ay-变形增长的大小和通过计算值与给定值的比较来确定不均匀性特征数据的分量。
为了获得所期望的特征值，可以采用一种带有初级变换器的装置，它由“n”个相互电绝缘的固定配置的传感器组成，这些传感器用于探测在电荷载流子电流中的电荷密度，该初级变换器包括由导电材料构成的一屏蔽罩的敏感元件和一个电离射束源，它在屏蔽区域内并配置在与敏感元件等距离的位置上，还包括一个位于转换器的输出端、并与局部电信号相连接的计算机程序块，为了提高检测不均匀性的可靠性和判断其参数的精确性，在该装置的屏蔽罩下面装有屏蔽网以及一个测量稳定化电路，稳定化电路的输入端接到转换器的输出端，并与局部电信号相连，其输出连到所述屏蔽网上。
为了提高可靠性和精确性和为了缩短过程持续时间，该装置装有一个带有驱动器的并使初级变换器沿待检测的表面移动的装置的控制台，控制台上配有程序块，驱动器同上述控制台相连接。
计算机程序块的具体实施方式
可以具有不同的装置的变型。
在一种变更方案中，该装置包括一个带程序块的控制台和一个指示器，计算机单元可以作为色彩信号的发送器，它的输入端连接到局部电信号的转换器的输出端和控制台的输出端，而它们输出端与指示器相连。
在另一种装置的变换实例中，该计算机单元可顺次由比较器、差异信号计算器，有用信号发送单元，乘法单元和变形增长计算器以及权重系数计算器构成，权重系数19的第一输入端连接到差异信号计算器的第二输出端，而其第二输入端连接到变形增长计算器的输出端，其两个输出端又连接到乘法单元的输入端。此外该装置还具有一个电信号的调制器和一个基准信号发生器，基准信号发生器连接到电信号调制器的输入端，进一步还包括一个期望特征值发生器，期望特征值发生器的输出端则连接到电信号调制器的信息输入侧。信号调制器的输出端接至比较器的输入侧，此外该装置还带有一个识别不均匀性的单元和一个指示器，指示器的第二输入端与变形增长计算器的输出端相连，该识别不均匀性单元同指示器串联后同期望参数发生器的第二输出端相连接。
一个进一步的装置改变方案可将两个计算单元的实施例组合而成。
该装置装有带程序块的控制台和显示器。计算机单元可采用两子系统的形式，并通过一个转换开关连接到局部电信号转换器的输出端和控制台。其中第一子系统作为色彩信号的发送器，其输出与第一显示器相连接，其控制输入与控制台相接。第二子系统包括(每一个依次开断)比较器差异信号计算器分离有用信号的单元乘法器变形增长的计算器和一个权重系数的计算器，权重系数计算器的第一输入端连接到差异信号计算器的第生输出端，其第二输入端连接到变形增长计算器的输出端，其两个输出端连接到乘法器的控制输入端。此外第二子系统包括一个电信号的调制器和一个连接到电信号调制器输入端的基准信号发生器，第二子系统控制一个期望的特征值发生器，其输入端连接到变形增长计算器的输出端，并且它的输出端连接到电信号调制器的信息输入端。调制器的输出同比较器的输入侧相连。第二子系统还控制一个识别不均匀性的单元，它连接到期望的不均匀性的发生器的第二输出端，变形增长计算器和识别不均匀性单元的输出端均连接到第二指示器上。
众所周知，金属和合金的表面在正常条件下辐射带电粒子(离子、电子)，它们的发射由于自然条件(如温度和本底辐射的变化)受到限制，在不均匀性(变形，夹杂物)范围内来自表面的发射电荷发生量变。然而在生产条件下实际上不可能为了识别分子平面上的微应变而定量确定出固有辐射过程中发射电荷的变化。
前述方法用于确定金属和合金表层内结构相不均匀性的特征数据，实现该方法变换的装置不仅可以实现不均匀性的识别，而且可定量评价其特征值。实现的方法是增强待检测表面固有发射的电荷过程，利用其辐射和利用统计学的概率分布方法，并根据该表面的带电粒子发射的适当的参数计算出不均匀性特征数据。
附图清楚地描述了本发明的基本内容，

图1是根据本发明方法对金属和合金表层的结构相不均匀性的特征数据加以确定的装置的功能图。
图2、3和4表示计算机程序块实施例的可供选择的方案。
该装置包括一个由屏蔽2，用于测量在载流子中电荷浓度的敏感元件3和一个电离射线源4组成的初级转换器1，屏蔽2由导电材料，例如有铜，或能保证待检测表面屏蔽在一定区域内的任何材料制成。敏感元件3被屏蔽2包围，二者之间保持电绝缘，并且分别固定配置在待检测表面的附近。离子射线源4位于屏蔽2下方，与敏感元件3等距离配置，初级转换器1还包括一个位于屏蔽2下面并包围住敏感元件3的保护网5，敏感元件的数量在本例中总计为4个。
初级变换器1带有一个使其沿待检测表面移动的装置6，驱动器同控制台7相连接。
控制台7带有一个程序包(图中未示出)，它保证了该系统既可手动操作，也可根据一个预先给定的程序自动操作。
局部电信号Wi的变换器8用于将敏感元件3接收到的信号转换成连续的电信号。
局部电信号转换器的输出连接到计算机单元11和测量操作的稳定装置10。稳定装置10的输出端还同屏蔽网5相连接。
可以把一个函数变换器用作稳定装置10，它在输出端将来自转换器8输出的局部电信号变换为算术平均值。
计算机单元根据所量测和转换的局部电信号确定(计算)表层内结构相的不均匀性的特征数据。
在图2所示的第一变换方案中，计算单元11由色彩信号的发送器12组成，发送器12的两个输入端分别连接到局部电信号的转换器8的一个输出端和控制台7的一个输出端，而其输出端连接到指示器13。
在本发明的第二个变更方案(见附图3)中，计算机单元11串接有一个比较器14，一个差异信号计算器15，一个分离有用信号的单元16，它由高频和低频滤波器组成，一个乘法器17和变形增长的计算器18，以及一个权重系数计算器19，一个基准信号发生器20，一个电信号调制器21，一个期望特征值发生器22，一个识别缺陷的单元23和一个显示器24，其中乘法器17的控制输入连接到权重系数的计算器19的输出端，计算器19的两个输入端连接到差异信号计算器15的第二输出端和变形增长计算器18的输出端，计算器18的输出端又连接至期望参数值发生器22和指示器24的输入端。期望特征值发生器22的输出又与电信号调制器21的输入侧及缺陷识别单元23的输入端相连。该单元的输出进一连接到显示器24的第二输入侧。电信号调制器21的第二输入侧连接到电基准信号发生器20的输出端，调制器21的输出端则连接到比较器14的第二输入端。
本发明的第三个(也是最佳的)变换方案中的计算机模块11由两个子系统构成，其中第一个子系统完全按上述第一上述变换方案实现，而第二个子系统则按上述第二个变换方案制成。
在这种情况下，计算模块附加一个转换开关25，它的信息输入连接到局部电信号8的变换器的输出端。其控制输入连接到控制台7，输出端分别连接到电信号的发送器12的输入端及比较器14的输入端。
本装置的工作原理如下初级变换器1运动经过要检测的表面，这个表面的一个合适的部分被屏蔽罩2所屏蔽，并且受到来自射线源4的电离辐射。
敏感元件3测出电流中的电荷的浓度，该电流是由被屏蔽的和受到辐射后的表面上的那些区域中电子的发射而产生的，敏感元件3位于其表面上方。
所量测的信号将从敏感元件3传送到局部电信号变换器8的输入端。该转换器8产生一个局部电信号输出VMi(t，△a)，该信号的大小随待检测表面在测量范围内结构相的不均匀程度的不同而不同。
局部电信号转换器8输出信号经稳定测量装置10转换成算术器平均值。该装置10的输出端同屏蔽网5相连，以便抵消发射过程中的偶然因素的影响。
从转换器8的输出端输出的局部电信号传送到计算模块11的输入侧，该模块确定出不均匀性的存在及其特征数据。对不均匀性的测定可以在对待检测表面扫描时进行，并且将初级变换器1按照命令(一个程序指令)移动经过金属和合金的表面，所述命令从控制台7发出，用于驱动级变换器1的运动机构。
在第一个变换方案中，局部电信号送至颜色信号发送器的输入端，相应的从控制如7手动地或自动地发出一个指令，变换器12把接收的局部电信号转换为一个色码，并在显示器17中给出，该显示器产生一个色彩标度，其颜色与待检测表面的距离相匹配。
根据这些待测金属和合金的不同特性和由各种已知因素所确定的不均匀性的预测，所以修改控制台7的程序，以便对在金属和合金的待测表面的色彩信号变换器12的工作进行必要的校正。
在该装置的第二种变换方案中，来自转换器8输出端的局部电信号VMi(t，△a)输送至比较器14的输入端，在比较器中每个信号与每个给定的值Uoi(t，△
)比较，这些预定值表征了待检测表面的各个区域可能存在的不均匀性特征值。
预定值Uoi(t，△
)按如下方式产生借助于期望的特征值22发生器按照物理意义设定不均匀性特征值的概率值△
(t)，从以前得到的关于待测金属或待测合金的不均匀性的可能的参数值的经验结论或统计结果出发进行分析。
使发生器22产生电信号形式的信号△
(t)，并输送到调制器21的输入侧，在其另一个输入侧接收来自发生器20输出的基准信号Uoi(t)。这些信号将通过调制器21被信号△
(t)调制。
基准信号的值是常数。它是对一个或其它待测金属的不均匀性参数评估预测的给定试验值中选择得出的。
比较器14的输出端上给出下列差异信号i＝UHi(t，△a)-Uoi(t，△
)在一个带有四个传感元件的初级转换器实例中，差异信号εi形成在比较器14的输出端，它可用下列矩阵形式表示ε11＝UH1(t，△a)-Uo1(t，△
)ε12＝UH1(t，△a)-Uo2(t，△
)……ε14＝UH1(t，△a)-Uo4(t，△
)ε21＝UH2(t，△a)-Uo2(t，△
)……ε44＝UH4(t，△a)-Uo4(t，△
)[ε11ε22ε33ε44]或者将差异信号输送到差分信号15的计算器输入端，该计算器成对地计算出比较结果的差异程度△Vx＝(ε1+ε2)-(ε3+ε4)△Vy＝(ε1+ε3)-(ε2+ε4)计算结果从计算器15的第一输出端输出，经过鉴别有效信号的单元16输送到乘法器17的第一输入端。
识别有效信号的单元16包括依次断开的高频和低频信号滤波器，这些滤波器确保将噪声分量从接收的信号中分离出去。
在成对地计算比较结果的差异信号△Vx，△Vy的同时，在差异信号计算器15的第二输出端分离出差异信号εi的最小值，该信号又输入到权重系数计算器的输入侧(ε11ε22ε33ε44)。
所计算得到的权重系数的实际值从计算器19输出到乘法器17的控制输入端，乘法计算器将信号△Vx，△Vy与权重系数Kij(t，△a)的计算值相乘，将相乘的结果△Vx·Kij(t，△a)N△Vy·Kij(t，△a)输送到变形增长计算器18的输入端δ△a。
计算器18由等式δ △ a =δ △ a2x + δ △a2y]]>计算出变形δ△a的增加量。
将变形增长的计算值输送至显示器24的输入端及输入到期望的变形值发生器22内，该发生器校正所期望的变形值△
(t)，上述变形增长计算值还输入到权重系数计算器19中。
权重系数的实际值Kij(t，△a)可由下列微分等式计算出
根据变形增长的大小，并且考虑前述要检测金属或要检测合金的性能的说明，缺陷识别单元23确定出不均匀性的类型及其特征数据的值。这些特征数据以一种相应的代码形式输入到显示器24。
根据第三种变换方案所造成的设备其特殊性在于将上述两个实施方案组合在一起，从而使不均匀性特征数据由一个子系统加以确定一次，又由另一子系统确定一次，这两个子系统相互独立工作，关于这类子系统操作的说明完全同上述的实施方案中的装置的操作相一致。
利用控制台7可选择手动或自动完成计算不均匀性特征数据的操作。
转换开关25接收从控制台7发来的指令，并根据该指令转换变换器8的输出或者连接到颜色信号发送器12的输入端，或是连接到比较器14的输入端，接着根据上述描述的方法测定出不均匀性的特征数据。
权利要求
1.一种用于测定在金属和合金的近表层内结构相不均匀性特别是微应变的特征数据的方法，包括从外部包围待检查一表面的屏蔽，采用离子射线辐射所屏蔽的表面产生发射电荷，并且测量出表征所屏蔽表面电离过程的电参量，其特征在于把电流载流子电荷作为测量的电参数，这些电荷是在待测表面的n个任选的区域中由故有的或激励的(由辐射引起的)载流子电荷的发射引起的，将测量出的电荷浓度的n个实际值转换成“n”个局部的电信号(对应于那个屏蔽表面的区域的数目)，根据这些信号测定出不均匀性的特征值，这里的“n”≥2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所屏蔽表面辐射和量测电流载体中电荷浓度的过程是稳定化的过程，并且利用电场对辐射和量测范围的作用实现这一稳定性，由场的强度与“n”个局部的电信号的算术平均值成比例，这些局部电信号是通过使电荷浓度转换成实际测量值而获得的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述对待检测表面的屏蔽和相应的辐射，以及通过扫描所检查表面对在发射电流载体中电荷浓度的测量，均是由一个预先给出的程序所实现的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于不均匀特征数据的测定是将“n”个局部电信号转换成一个颜色代码，利用所收到的色彩标度的显示，通过颜色分量与给定值相比较来测定不均匀性的特征数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于不均匀性特征数据测定是通过将“n”个局部电信号中的每一个与计算出的各自预定值相比较而获得的，这些预定值表征了待检查表面可能存在的不均匀性的特征，从而估算出差异信号的最小值，并分离出具有高频和低频分量的有效信号，将这个有效信号与变换的权重系数相乘，其计算如下
式中6-相对于各种金属和合金的经验计算的系数;G(t)-已知的在相间边界外的变形增长的扩散系数;N-1(t)-电过程检测的噪声矩阵的逆阵;不均匀性增量的实际值可用下列等式计算得出δ △ a =δ △ a2x + δ △aay]]>△αX，△αy-变形增长的大小的分量，通过计算值与给定值的比较来确定不均匀性参数。
6.一种装置，包括一个初级转换器1，它由一个导电的屏蔽2，一个电离射线源4和一个慢参数测量器3组成，该测量器装在被屏蔽的范围内，其特征在于该装置还具有一个计算模块11和一个局部电信号转换器8，电参数的测量器是“n”个电气绝缘且相互分开固定配置的用于测量在载流子中电荷的浓度的敏感元件;辐射源相对于各敏感元件以相同的距离配置，这些敏感元件通过局部电信号的转换器同计算模块11相连。
7.权利要求6所述的装置，其特征在于还具有在屏蔽下面安装的屏蔽网5和测量过程稳定装置10，它的输入端连接到局部电信号转换器8的输出端，其输出端同保护网5相连接。
8.所述设备其特征在于还装有一个使初级变换器1沿着待检查表面移动运行的驱动器机构6和带有一个程序模块的控制台7，机构6的驱动装置连接到控制台7上。
9.所述装置其特征在于还装有一个带计算分程序的控制台7和显示器13，该计算分程序11采用色彩信号发送器12形式，该发送器12的输入端连接到局部电信号转换器8的输出端及控制台7台上，而其输出端与显示器13相连。
10.所述设备其特征在于所述计算分程序采用(依次开关的)比较器14，差异信号的计算器15有效信号识别装置16，乘法器17，变形增长计算器18和权重系数器19，它的第一输入端连接到差异信号计算器15的第二输出端，而第二输入端连接到变形计算器18的输出侧，计算器19输出连接同乘法器17的控制输入相连，计算分程序还包括一个电信号调制器21，一个基准信号发生器20，基准信号发生器同电信号调制器21的输入端相连接，一个特征期望值发生器22，它的输入连接到变形增长计算器18的输出端，它的输出同电信号调制器21的信息输入端相连，调制器21的输出与比较器14的输入接口，此外该计算分程序还包括识别不均匀性的装置23和一显示器24显示器24的第二输入端与变形增长计算器18的输出相连接，发生器23和显示器24串连后同特征期望值发生器22的第二输出端相连。
11.所述装置其特征在于它装有一个控制台7包括程序块和显示器13，24，计算模块采用两个子系统形式，它们通过一个转换开关25接到局部电信号转换器8的输出端，并且与控制台7相连，第一于系统采用色彩信号发送器12的形式，其输出连接到第一显示器13上，其控制输入还接到控制台7上。第二子系统包括下列串联的装置比较器14，差异信号计算器15，有效信号分离器16，乘法器17，变形增长计算器18和权重系数计算器19，计算器19的第一输入接至差异信号计算器15的第二输出端，而其第二输入接至变形增长计算器18的输出，计算器19输出端同乘法器17的控制输入端相连。第二子系统还包括电信号调制器21和其准信号发生器20基准信号发生器20同电信号调制器21的输入端相连，还包括一个期望特征值发生器22，其输入端连接到变形增长计算器的输出端，其输出端则连接到电信号调制器21的信息输入端，控制器21的输出又连接比较器14的输入端，此外第二子系统还包括一个识别不均匀性的单元23，它接在特征期望值发生器22的第二输出端，变形增长计算器18的输出和识别不均匀性单元23的输出端均连接到第二指示器上。
全文摘要
本发明涉及确定和测量金属和合金近表层内结构相的不均匀性参数的方法，包括用电离射线射辐屏蔽后的待检查表面，量测在载流子中电荷的浓度，同时将那些对应屏蔽表面任选的“n”电荷转化成局部的电信号，它们通过信号处点的差值而确定，处理接收到的信号，从而确定不均匀性参数。
文档编号G01N23/22GK1096876SQ9310954
公开日1994年12月28日 申请日期1993年6月22日 优先权日1992年6月22日
发明者瓦勒里·S·康德拉特株, 阿克帝·桑尼寇, 维克托·E·沙特尼库 申请人:地产经营和信托公司