Скорость звука в материалах: таблица для толщинометрии

Скорость звука для толщиномера — это продольная скорость ультразвука в материале детали. По таблице Evident она составляет 5890 м/с в стали 1020, 5740 м/с в нержавеющей стали 302, 6320 м/с в алюминии и 4660 м/с в меди. Табличные значения ориентировочные: для точного замера скорость определяют калибровкой на образце из того же материала.

Зачем толщиномеру скорость звука

Ультразвуковой толщиномер измеряет не толщину, а время. Он засекает, за сколько микросекунд импульс проходит стенку туда и обратно, и пересчитывает время в толщину по формуле из руководства Evident:

T = V × t / 2, где T — толщина, V — скорость звука в материале, t — измеренное время прохождения туда и обратно.

Толщина прямо пропорциональна скорости. Если в приборе стоит скорость на 2 % больше фактической, все показания будут завышены на те же 2 %. Поэтому Evident подчёркивает: точность измерения не может быть выше точности калибровки. Как устроен сам прибор, разобрано в статье «Ультразвуковой толщиномер: принцип работы и ограничения».

Таблица продольной скорости звука в материалах

Значения взяты из таблицы Evident «Material Sound Velocities» (раздел приложений к руководству по толщинометрии). Это типовые продольные скорости, по которым удобно сделать первоначальную настройку.

Металлы и сплавы

Материал	м/с	дюйм/мкс
Сталь 1020 (углеродистая)	5890	0,2320
Сталь 4340 (легированная)	5850	0,2300
Сталь 302 (аустенитная нержавеющая)	5740	0,2260
Алюминий	6320	0,2490
Медь	4660	0,1830
Латунь	4430	0,1740
Чугун (мягкий)	3500	0,1380
Чугун (твёрдый)	5600	0,2200
Никель (чистый)	5630	0,2220
Инконель	5820	0,2290
Титан	6100	0,2400
Молибден	6250	0,2460
Вольфрам	5180	0,2040
Цинк	4170	0,1640
Олово	3320	0,1310
Свинец	2160	0,0850
Цирконий	4650	0,1830
Бериллий	12900	0,5080
Оксид железа (магнетит)	5890	0,2320

Пластики, композиты и другие материалы

Материал	м/с	дюйм/мкс
Акрил (оргстекло, Perspex)	2730	0,1070
Люцит (Lucite)	2680	0,1060
Полиэтилен высокой плотности (ПНД, HDPE)	2460	0,0970
Полиэтилен низкой плотности (ПВД, LDPE)	2080	0,0820
Поливинилхлорид (ПВХ)	2395	0,0940
Полистирол	2340	0,0920
Нейлон	2600	0,1020
Полиамид	2200	0,0870
Стеклопластик	2740	0,1080
Композит графит/эпоксид	3070	0,1200
Резина (полибутадиен)	1610	0,0630
Силикон	1485	0,0580
Кремний	9620	0,3790
Алмаз	18000	0,7090

Жидкости

Материал	м/с	дюйм/мкс
Вода (20 °C)	1480	0,0580
Глицерин	1920	0,0760
Моторное масло	1740	0,0690

Скорость в жидкостях нужна, например, при работе с иммерсионными датчиками и линиями задержки, а глицерин и вода — распространённые контактные жидкости.

Почему скорость калибруют на образце

Evident прямо называет таблицу общим ориентиром. Фактическая скорость в конкретной детали может заметно отличаться от табличной из-за:

• химического состава и микроструктуры;
• ориентации зёрен или волокон;
• пористости;
• температуры.

Сильнее всего разброс в литых металлах, стеклопластике, пластиках и композитах. В отливках скорость может меняться от точки к точке из-за разной скорости остывания и анизотропии зерна, в стеклопластике — из-за разного соотношения смолы и волокна. В таких материалах настройка «по таблице» почти гарантированно даёт ошибку.

Двухточечная калибровка по Evident

1. Возьмите два образца из того же материала, что и деталь, с точно известной толщиной. Это не обязательно покупные эталоны, но материал и, по возможности, чистота поверхности должны совпадать.
2. Соотношение толщин — не меньше 2:1, оптимально 5:1 и больше. Обе толщины должны быть в диапазоне, который вы будете мерить.
3. На толстом образце выполните калибровку скорости и введите его фактическую толщину.
4. На тонком образце выполните калибровку нуля и введите его толщину.
5. Проверьте показания на образце промежуточной толщины.

Как распознать ошибку: если погрешность растёт с толщиной, неверна скорость; если показания сдвинуты на одну и ту же величину на всех ступенях, неверен ноль. В обоих случаях калибровку повторяют. Для этого удобен ступенчатый образец, но для нестандартного материала лучше сделать образцы из него самого.

Новую калибровку делают при смене материала, датчика или при заметном изменении температуры детали.

Как температура меняет скорость звука

По данным Evident, скорость звука во всех материалах зависит от температуры:

• при нагреве скорость обычно снижается, при охлаждении — растёт;
• при замерзании и плавлении она меняется скачком;
• в пластиках и резине эффект намного сильнее, чем в металлах и керамике.

Практический вывод: калибровать скорость нужно при той же температуре, при которой идёт измерение. Если мерить горячую трубу с настройкой, сделанной при комнатной температуре, ошибка часто получается значительной. Для пластиков и резины калибровку при рабочей температуре Evident называет обязательной.

Отдельно о горячих поверхностях: обычные контактные датчики повреждаются примерно выше 50 °C, а выше примерно 100 °C нужны специальные высокотемпературные контактные жидкости. Подробнее — в статье «Как измерить толщину стенки трубы ультразвуком».

Какой прибор выбрать

Скорость звука вводится в любой ультразвуковой толщиномер, разница в том, какие датчики и режимы поддерживает прибор.

• Коррозия труб и сосудов из стали — 45MG: двухэлементные датчики в базе, диапазон настройки скорости 0,508–18,699 мм/мкс, с опцией SE — совмещённые (одноэлементные) датчики.
• Точные измерения с совмещёнными датчиками, многослойные материалы, измерения через покрытие — 39DL PLUS.

Сравнение моделей — в статье «Какой толщиномер Olympus выбрать», подбор под задачу — в мастере подбора толщиномера. KEG TRK поставляет толщиномеры Evident (Olympus) в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• Evident. Material Sound Velocities — таблица продольных скоростей и оговорка о разбросе.
• Evident. Theory of Operation — формула T = V × t / 2, влияние температуры.
• Evident. Velocity and Zero Calibration — двухточечная калибровка.
• Evident. Factors Affecting Measurement — разброс скорости в литых металлах, стеклопластике, пластиках.
• Evident. How to Use Ultrasonic Thickness Gauges in Special Conditions — температура и скорость звука.