Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Metody badań materiałów

sprawozdanie

Laboratorium nr 2

Defektoskopia

Grupa: 2

Anna Serafin

Wojciech Korzeń

Jolanta Woźniak

1. Cel ćwiczenia:

a) zapoznanie się z obsługą i zasadą działania defektoskopu,

b) wyznaczenie stałych materiałowych
materiałów izotropowych.

2. Aparatura i materiały:

1. defektoskop ultradźwiękowy DI-40 INCO WARSZAWA

2. wzorce i próbki:

3. ośrodek sprzęgający -olej do fal podłużnych

4. głowice MO4 6LO^o10C, INCO - do fal podłużnych

3. Opis ćwiczenia:

a) Zmierzono wymiary próbek następnie zważono je.

b) Wykonano pomiary przejścia fal podłużnych i poprzecznych dla podanych próbek.

c) Zinterpretowano wyniki i przeprowadzono odpowiednia przeliczenia

4. Zestawienie wyników badań:

1. Wymiary i gęstości próbek

W tabeli 1 przedstawiono zmierzone wymiary wzorców i badanych próbek oraz ich masy i obliczone na tej podstawie gęstości pozorne.

Tabela 1. Zestawienie wymiarów, masy, gęstości wzorców i próbek

Próbka	A [mm]	B [mm]	C [mm]	m [g]	ρ [g/cm^3]
wzorzec 2μs	11,9	-	-	-	7,8
wzorzec 10μs	59,2	-	-	-	7,8
Al2O3-17	20	20	20	30,33	3,79
Al2O3	99,2	19,85	12,7	93,7	3,75
SiC	50,9	50,9	12	93,02	2,99
żywica epoksydowa	24,9	25,1	15,2	11,06	1,16
ZrO2	11,3	9,9	-	12,78	12,88
Rafa	146,2	38,6	24,8	-	7,8

2. Fale podłużne

W celu wyznaczenia prędkości przejścia fali podłużnej badanych próbek przeprowadzono skalowanie i zerowanie aparatu oraz zmierzono czasy przejścia (5 pomiarów dla każdej próbki) fali podłużnej w trzech kierunkach. Wyniki czasów przejścia oraz wyliczoną jego średnią wartość przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów czasów przejścia fali podłużnej [mm]

Próbka	t1 [mm]	t2 [mm]	t3 [mm]	t4 [mm]	t5 [mm]	tśr [mm]	σt [mm]
Wzorzec 2μs	7	7	7	7	7	7	0,0
1 echo	20	19	20	19	19	19,4	0,5
2 echo	32	31	31	32	32	31,6	0,5
3 echo	44	44	44	44	44	44	0,0
Wzorzec 10μs	30	30	30	30	30	30	0,0
1 echo	90	90	90	89	90	89,8	0,4
Al2O3-17 ściana A	6	6	7	6	7	6,4	0,5
ściana B	6	6	6	6	6	6	0,0
ściana C	6	6	6	6	7	6,2	0,4
Al2O3 ściana A	30	30	30	30	30	30	0,0
ściana B	7	7	7	7	7	7	0,0
ściana C	5	5	5	5	5	5	0,0
SiC ściana A	15	15	15	14	14	14,6	0,5
ściana B	15	14	14	15	14	14,4	0,5
ściana C	4	4	4	4	4	4	0,0
Żywica ściana A	29	28	28	28	28	28,2	0,4
ściana B	28	28	28	28	28	28	0,0
ściana C	17	17	18	18	17	17,4	0,5
ZrO2 ściana A	6	5	5	5	5	5,2	0,4
ściana B	9	9	9	8	8	8,6	0,5
Rafa ściana A	73	74	74	74	74	73,8	0,4
ściana B	12	13	13	13	13	12,8	0,4
ściana C	20	20	20	20	20	20	0,0

Skalowanie i zerowanie aparatu ultradźwiękowego dla metody przejścia fali podłużnej-wykonano na wzorcu 2µs:

Dane:

=7 [mm] - średni czas przejścia fali podłużnej dla wzorca 2µs

1. Obliczenie średniej wartości różnicy pomiędzy średnimi czasów (t_śr) dla kolejnych impulsów dla wzorca 2µs (wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 3)

Tabela 3. Zestawienie wartości różnicy pomiędzy średnimi czasów (t_śr) dla kolejnych impulsów dla wzorca 2µs

Próbka	Θ [mm]	Θśr [mm]	σΘ
Wzorzec 2μs	12,4	12,3	0,1
1 echo	12,2
2 echo	12,4
3 echo	-

2. Obliczenie położenia zera „0” aparatu dla metody przejścia fali podłużnej:

3. Określenie współczynnika „b” zamiany odczytanych wartości położenia impulsów pomiarowych:

4. Obliczenie rzeczywistych czasów przejścia fali podłużnej przez wzorce i badane kierunki próbek korzystając ze wzoru (wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 4):

5. Obliczenie prędkości rozchodzenia się podłużnej fali ultradźwiękowej przez wzorce i badane kierunki próbek korzystając ze wzoru (wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 4):

Tabela 4. Zestawienie wartości wymiaru danego kierunku, rzeczywistego czasu przejścia oraz prędkości rozchodzenia się podłużnej fali ultradźwiękowej przez wzorce i badane kierunki próbek

Próbka	d [µs]	trzecz [µs]	VL[ms]
Wzorzec 2μs	11900	2	5950
1 echo
2 echo
3 echo
Wzorzec 10μs				59200	9,46	6258,29
1 echo
Al2O3-17 ściana A	20000	1,81	11077,84
ściana B	20000	1,68	11935,48
ściana C	20000	1,74	11490,68
Al2O3 ściana A	99200	9,46	10486,86
ściana B	19850	2,00	9925,00
ściana C	12700	1,35	9398,00
SiC ściana A	50900	4,46	11400,12
ściana B	50900	4,40	11568,18
ściana C	11700	1,03	11392,11
Żywica ściana A	24900	8,88	2805,42
ściana B	25100	8,81	2848,77
ściana C	15200	5,37	2828,97
ZrO2 ściana A	11300	1,42	7979,01
ściana B	9900	2,52	3930,26
Rafa ściana A	146200	23,66	6177,94
ściana B	38600	3,88	9945,68
ściana C	24800	6,22	3989,57

1. Fale poprzeczne

W celu wyznaczenia prędkości przejścia fali poprzecznej postąpiono tak jak w przypadku wyznaczania fali podłużnej. Wyniki czasów przejścia oraz wyliczoną jego średnią wartość przedstawiono w tabeli 5.

Tabela 5. Zestawienie wyników pomiarów czasów przejścia fali poprzecznej [mm]

Próbka	t1 [mm]	t2 [mm]	t3 [mm]	t4 [mm]	t5 [mm]	tśr [mm]	σt [mm]
Wzorzec 2μs	19	19	20	19	19	19,2	0,4
1 echo	41	41	41	42	41	41,2	0,4
2 echo	63	65	67	64	64	64,6	1,4
3 echo	86	86	86	87	87	86,4	0,5
Wzorzec 10μs	62	62	62	62	62	62,0	0,0
1 echo	170	169	172	172	174	171,4	1,7
Al2O3-17 ściana A	17	17	19	17	17	17,4	0,8
ściana B	17	17	17	18	17	17,2	0,4
ściana C	17	17	17	19	17	17,4	0,8
Al2O3 ściana A	57	58	59	60	59	58,6	1,0
ściana B	17	17	18	19	19	18,0	0,9
ściana C	14	15	15	15	14	14,6	0,5
SiC ściana A	30	29	30	30	30	29,8	0,4
ściana B	30	29	31	31	31	30,4	0,8
ściana C	13	12	13	13	12	12,6	0,5
Żywica ściana A	38	38	39	40	41	39,2	1,2
ściana B	41	38	40	42	43	40,8	1,7
ściana C	44	44	44	43	44	43,8	0,4
ZrO2 ściana A	17	17	17	17	17	17,0	0,0
ściana B	23	23	23	24	24	23,4	0,5
Rafa ściana A	142	141	141	142	143	141,8	0,7
ściana B	43	43	45	43	43	43,4	0,8
ściana C	29	30	32	30	29	30,0	1,1

Skalowanie i zerowanie aparatu ultradźwiękowego dla metody przejścia fali poprzecznej-wykonano na wzorcu 2µs:

Dane:

=19,2 [mm] - średni czas przejścia fali podłużnej dla wzorca 2µs

1. Obliczenie średniej wartości różnicy pomiędzy średnimi czasów (t_śr) dla kolejnych impulsów dla wzorca 2µs (wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 3)

Tabela 3. Zestawienie wartości różnicy pomiędzy średnimi czasów (t_śr) dla kolejnych impulsów dla wzorca 2µs

Próbka	Θ [mm]	Θśr [mm]	σΘ
Wzorzec 2μs	22,0	22,4	0,9
1 echo	23,4
2 echo	21,8
3 echo	-

2. Obliczenie położenia zera „0” aparatu dla metody przejścia fali poprzecznej:

3. Określenie współczynnika „b” zamiany odczytanych wartości położenia impulsów pomiarowych:

4. Obliczenie rzeczywistych czasów przejścia fali poprzecznej przez wzorce i badane kierunki próbek korzystając ze wzoru (wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 4):

5. Obliczenie prędkości rozchodzenia się poprzecznej fali ultradźwiękowej przez wzorce i badane kierunki próbek korzystając ze wzoru (wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 4):

Tabela 6. Zestawienie wartości wymiaru danego kierunku, rzeczywistego czasu przejścia oraz prędkości rozchodzenia się poprzecznej fali ultradźwiękowej przez wzorce i badane kierunki próbek

Próbka	d [µs]	trzecz [µs]	VT [ms]
Wzorzec 2μs	11900	3,58	3320,31
1 echo
2 echo
3 echo
Wzorzec 10μs				59200	17,28	3425,93
1 echo
Al2O3-17 ściana A	20000	3,01	6648,94
ściana B	20000	2,94	6793,48
ściana C	20000	3,01	6648,94
Al2O3 ściana A	99200	16,19	6126,48
ściana B	19850	3,20	6203,12
ściana C	12700	2,11	6013,26
SiC ściana A	50900	6,98	7296,44
ściana B	50900	7,17	7101,00
ściana C	11700	1,47	7948,37
Żywica ściana A	24900	9,98	2493,99
ściana B	25100	10,50	2391,39
ściana C	15200	11,46	1326,82
ZrO2 ściana A	11300	2,88	3923,61
ściana B	9900	4,93	2008,93
Rafa ściana A	146200	42,82	3414,61
ściana B	38600	11,33	3407,49
ściana C	24800	7,04	3522,73

5. Obliczenie Stałych materiałowych:

W oparciu wyznaczone prędkości fal podłużnych i poprzecznych oraz gęstości pozorne wyliczono i przedstawiono w tabeli 7 stałe materiałowe z następujących wzorów (obowiązujących dla ośrodków trójwymiarowych):

Tabela 7. Zestawienie wartości stałych materiałowych E,G, µ oraz średnich prędkości fali podłużnej, poprzecznej i gęstości pozornej dla wzorców i badanych próbek.

Próbka	VL [m/s]	VT [m/s]	ρ [kg/m^3]	E [GPa]	G [GPa]	µ [-]
wzorzec 2μs	5950,00	3320,31	7800	219,08	85,99	0,27
wzorzec 10μs	6258,29	3425,93	7800	235,47	91,55	0,29
Al2O3-17	11501,33	6793,48	3790	422,76	169,99	0,24
Al2O3	9936,62	6203,12	3750	335,15	140,19	0,20
SiC	11453,47	7101,00	2990	376,09	165,89	0,13
Żywica	2827,72	2391,39	1160	9,17	4,97	-0,08
ZrO2	5954,64	2008,93	1288	30,26	11,33	0,33
Rafa	6704,40	3407,49	7800	244,88	92,75	0,32

6. Zestawienie wyznaczonych stałych materiałowych E,G, µ z wartościami odczytanymi z literatury

Tabela 8. Zestawienie wyznaczonych stałych materiałowych E,G, µ z wartościami odczytanymi z literatury

Próbka	E [Gpa]		G [GPa]		μ [-]
		wyznacz.	literatur.	wyznacz.	literatur.	wyznacz.	literatur.
wzorzec 2μs	219,08	210	85,99	79	0,27	0,33
wzorzec 10μs	235,47	210	91,55	79	0,29	0,33
Al2O3	422,76	390	169,99	159	0,24	0,25
Al2O3	335,15	390	140,19	159	0,20	0,25
SiC	376,09	430	165,89	182	0,13	0,18
Żywica	9,17	4	4,97	1,5	-0,08	0,34
ZrO2	30,26	210	11,33	150	0,33	0,30
rafa	244,88	210	92,75	79	0,32	0,33

7. Sprawdzenie warunku ośrodka trójwymiarowego

Warunek ośrodka trójwymiarowego:

gdzie:

λ- długość podłużnej fali ultradźwiękowej [mm]

f- częstotliwość [MHz]

gdzie:

C- najmniejszy wymiar próbki

Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 9.

Tabela 9. Zestawienie danych potrzebnych do obliczenia warunku ośrodka trójwymiarowego (C/λ > 3)

Próbka	VL[m/s]	f [MHz]	λ [mm]	C [mm]	C/λ
wzorzec 2μs	5950,00	6	0,99	11,9	12,00
wzorzec 10μs	6258,29	6	1,04	59,2	56,76
Al2O3-17	11501,33	6	1,92	20	10,43
Al2O3 prost	9936,62	6	1,66	12,7	7,67
SiC	11453,47	6	1,91	12	6,29
ZrO2	2827,72	6	0,47	9,9	21,01
polimer	5954,64	6	0,99	15,2	15,32
rafa	6704,40	6	1,12	24,8	22,19

Z obliczeń wynika, że wszystkie badane próbki spełniają warunek ośrodka trójwymiarowego (dla każdej badanej próbki wartość C/λ > 3)

8. Wnioski:

Ultradźwiękową metodą wyznaczania stałych materiałowych w łatwy i nieniszczący sposób można wyznaczyć wartości stałych materiałowych dla ośrodków trójwymiarowych takich jak moduł Younga, moduł sztywności, czy liczba Poissona.

Wyznaczone wartości są bliskie wartościom odczytanym z danych literaturowych, znaczące różnice tych wartości zaobserwowano dla próbki ZrO₂ i żywicy co może wynikać z trudności prowadzenia pomiaru dla tych próbek (trudność w odczytaniu położenia impulsów w trakcie pomiaru).

---