defektoskopia 2

WIMiC Rok IV GRUPA: I

Metody Badań

Laboratorium

Defektoskopia Nr ćwicz.: 2

Data wykonania

16.11.2011r.

Data oddania

12.12.2011r.

Zwrot do poprawy Data oddania Data zaliczenia
  1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z metodami badań defektoskopowych oraz możliwościami wykorzystania ich do wyznaczania stałych materiałowych materiałów izotropowych.

  1. Wstęp teoretyczny

Podcza zajęć badaliśmy materiały za pomocą metodą cienia.

METODA CIENIA/PRZEPUSZCZANIA-polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony wyrobu, a nastepnie na odbieraniu ich z drugiej strony. Mierzy się zmiane natężenia fali. Fala jest nadawana przez głowice nadawczą, po czym po przejściu przez materiał trafia do głowicy odbiorczej. Powstałe tam sygnały są kierowane do elektrod lampy oscyloskopowej lub wskaźnika wychyłowego. Jako wady tej metody można wymienić:

Jedną z części defeskoskop są przetworniki ultradźwiękowe.

PRZETWORNIKI- to takie elementy, za pomocą których przetwarza się jeden rodzaj energii na drugi. W przypadku metod ultradźwiękowych chodzi o zamianę energii drgań elektrycznych na energię drgań mechanicznych i odwrotnie. W technice ultradźwiękowej jako źródeł najczęściej używa się przetworników elektroakustycznych, bazujących na odwracalnym zjawisku piezoelektrycznym.W zakresie drgań ultradźwiękowych wykorzystywanych do badania materiałów obecnie znajdują zastosowanie głównie dwa typy przetworników: przetwornik kwarcowy albo przetwornik z tytanianu baru.

EFEKT PIEZOELEKTRYCZNY- to zjawisko fizyczne polegające na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego oraz na powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu. 

Rys. 1 Schemat odkształceń przetwornika ceramicznego pod wpływem efektu piezoelektrycznego: a) przetwornik w stanie spoczynku, b, c) odkształcenie przetwornika pod wpływem zmian przyłożonego napięcia.

W celu tzw. sprzężenia akustycznego głowicy z badanym materiałem, konieczne jest pokrycie miejsca styku olejem, wodą, smarem stałym. Dzięki temu usuwa się warstewkę powietrza, która uniemożliwia wprowadzenie fal do badanego ośrodka. Drgania elektryczne są generowane przez nadajnik. Natomiast po przejści przez próbkę trafiają do odbiornika.

ODBIORNIK-pełni funkcje szerokopasmowego wzmacniacza, który wzmacnia impulsy elektryczne doprowadzone na wejścia oraz powstałe w przetworniku ultradźwiękowym. Ponadto w odbiorniku następuje detekcja impulsów. Kształt tłumionego impulsu sinusoidalnego zostaje zmieniony na jego obwiednie, co przyczynia się do poprawy wyrazistości.

Rezultat badania jesr wyświetlany na ekranie lampy oscyloskopowej, mierniku cyfrowym lub wychyłowym.

W trakcie zajęc laboratoryjnych do badań wykorzystaliśmy falepodużne i poprzeczne.

Fala podłużna – fala, w której drgania odbywają się w kierunku zgodnym z kierunkiem jej rozchodzenia się

Fala poprzeczna - fala, w której kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do kierunku jej rozchodzenia się. Fale mechaniczne poprzeczne nie mogą rozchodzić się w objętości ośrodków płynnych, gdyż te nie przenoszą sił ścinających, natomiast mogą rozchodzić się w ciałach stałych.

ZALETY BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH:

Metody ultradźwiękowe są najtrudniejszą techniką z zakresu badań nieniszczących. Dlatego aby pomiar był wykonany poprawnie konieczna jest duża staranność i skupienie ze strony operatora.

  1. Wykonanie ćwiczenia, zestawienie wyników, obliczenia.

Aparatura i materiały:

W pierwszej części ćwiczenia zmierzono wymiary wzorców oraz ich masę a następnie obliczono gęstość pozorną. Wyniki zestawiono w tabeli 1.

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

Próbka A[mm] B[mm] C[mm] m[g] ρ[g/cm3]
Al2O3(1) 20,0 20,0 20,0 30,0893 3,76
Al2O3(2) 12,6 19,8 99,3 92,8475 3,75
SiC 15,2 47,6 47,8 104,2627 3,01
ZrO2 10 16,2 12,1796 5,91
Żywica 29,3 25,4 10,8 9,6147 1,20

1 – sześcian

2 – prostopadłościan

Gęstość wzorców 2μs, 5μs oraz próbki stalowej przyjęto jako ρ=7,8 g/cm3.

Następnie zmierzono czas przejścia przez próbki fal podłużnych w kierunkach zaznaczonych na rysunkach.

B

C

A

B

A C

C

A

B

A

B

B

A

Tabela 2. Zestawienie wyników pomiaru czasów przejścia fali podłużnej.

Próbka t1[µs] t2[µs] t3[µs] tśred[µs] σt
Wzorzec 2μs 2,6 2,5 2,5 2,53 0,058
Wzorzec 2μs – 1 echo 6,7 6,6 6,6 6,63 0,058
Wzorzec 2μs – 2 echo 10,6 10,6 10,6 10,60 0,000
Wzorzec 2μs – 3 echo 14,7 14,8 14,6 14,70 0,100
Wzorzec 5μs 5,4 5,4 5,4 5,40 0,000
Al2O3(1) – A 2,5 2,5 2,5 2,50 0,000
Al2O3(1) – B 2,5 2,5 2,4 2,47 0,058
Al2O3(1) – C 2,4 2,5 2,5 2,47 0,058
Al2O3(2) – A 1,7 1,8 1,7 1,73 0,058
Al2O3(2) – B 2,4 2,4 2,5 2,43 0,058
Al2O3(2) – C 10,4 10,4 10,5 10,43 0,058
SiC – A 1,9 1,8 1,8 1,83 0,058
SiC – B 4,8 4,8 4,9 4,83 0,058
SiC – C 4,8 4,7 4,8 4,77 0,058
Żywica – A 11,2 11,3 11,2 11,23 0,058
Żywica – B 9,9 9,8 9,7 9,80 0,100
Żywica – C 4,6 4,5 4,4 4,50 0,100
ZrO2 – A 2,9 3 3,1 3,00 0,100
ZrO2 - B 2,1 2 2,1 2,07 0,058
Stal –A 4,6 4,5 4,6 4,57 0,058
Stal –B 25,6 25,7 25,7 25,67 0,058

Tabela 3. Zestawienie średnich wartości czasów przejścia fali podłużnej przez wzorce i próbki.

Próbka tśred [μs] σt [μs] Θśred [μs] σΘ [μs] d [μm] trzeczywiste[μs] V [m/s]
Wzorzec 2μs 2,53 0,058 4,056 0,077 11900 2,00 5950,00
Wzorzec 5μs 5,40 0,000 29550 4,83 6121,31
Al2O3(1) – A 2,50 0,000 20000 1,97 10167,13
Al2O3(1) – B 2,47 0,058 20000 1,93 10339,94
Al2O3(1) – C 2,47 0,058 20000 1,93 10339,94
Al2O3(2) – A 1,73 0,058 12600 1,21 10404,98
Al2O3(2) – B 2,43 0,058 19800 1,90 10413,54
Al2O3(2) – C 10,43 0,058 99300 9,79 10141,16
SiC – A 1,83 0,058 15200 1,31 11606,69
SiC – B 4,83 0,058 47600 4,27 11151,48
SiC – C 4,77 0,058 47800 4,20 11373,53
Żywica – A 11,23 0,058 29300 10,58 2769,16
Żywica – B 9,80 0,100 25400 9,17 2770,77
Żywica – C 4,50 0,100 10800 3,94 2741,31
ZrO2 – A 3,00 0,100 16200 2,46 6584,63
ZrO2 - B 2,07 0,058 10000 1,54 6494,66
Stal –A 4,57 0,058 24200 4,01 6041,72
Stal –B 25,67 0,058 148300 24,82 5975,88

Dla wzorca 2µs oraz 5µs obliczyliśmy różnicę θ między wartościami średnimi czasów tśreddla kolejnych ech oraz wartość θśred i odchylenie standardowe σθ dla wzorca 2µs.

Uzyskane wartości zostały zebrane w Tabeli 3.

Dla metody przejścia fali podłużnej dokonaliśmy skalowania i zerowania defektoskopu. Na podstawie wyników z Tabeli 3. dla wzorca 2µs określiliśmy położenie „0” (pamiętając, ze używaliśmy 2 głowic) wg wzoru:

Następnie określiliśmy współczynnik „b” zamiany odczytanych wartości położenia impulsów pomiarowych dla wzorca 2µs na czas przejścia fali wg wzoru:

Obliczyliśmy też rzeczywisty czas przejścia podłużnej fali ultradźwiękowej przez wzorce i badane kierunki próbek z wzoru:

Następnie obliczaliśmy prędkość rozchodzenia się podłużnej fali ultradźwiękowej we wzorcach oraz dla kierunku pomiarowego badanych próbek z wzoru:

Następnie wykonano analogiczne pomiary dla przejścia fali poprzecznej.

Tabela 4. Zestawienie wyników pomiaru czasów przejścia fali poprzecznej.

Próbka t1 [µs] t2 [µs] t3 [µs] tśred[µs] σt
Wzorzec 2μs 6,4 6,8 6,3 6,50 0,265
Wzorzec 2μs – 1 echo 14 14,4 13,7 14,03 0,351
Wzorzec 2μs – 2 echo 21,7 22,3 21,9 21,97 0,306
Wzorzec 2μs – 3 echo 29,1 28,9 29,8 29,27 0,473
Wzorzec 5μs 12,1 11,9 11,7 11,90 0,200
Al2O3(1) – A 6,5 6,6 6 6,37 0,321
Al2O3(1) – B 5,9 5,8 5,7 5,80 0,100
Al2O3(1) – C 6,3 6,5 5,9 6,23 0,306
Al2O3(2) – A 4,7 4,9 5,3 4,97 0,306
Al2O3(2) – B 6,1 5,8 6,5 6,13 0,351
Al2O3(2) – C 17,1 19,4 19,8 18,77 1,457
SiC – A 5,9 4,7 4,9 5,17 0,643
SiC – B 9,2 9,5 9,2 9,30 0,173
SiC – C 9,3 9,7 9,7 9,57 0,231
Żywica – A - - - - -
Żywica – B 23,2 23,8 22,9 23,30 0,458
Żywica – C 10,5 11,7 11 11,07 0,603
ZrO2 – A 6,4 6,5 5,7 6,20 0,436
ZrO2 - B 7,8 7,9 7,9 7,87 0,058
Stal –A 10 10 10,6 10,20 0,346
Stal –B 16,8 17,2 16,6 16,87 0,306

Tabela 5. Zestawienie średnich wartości czasów przejścia fali poprzecznej przez wzorce i próbki.

Próbka tśred [μs] σt [μs] Θśred [μs] σΘ [μs] d [μm] trzeczywiste[μs] V [m/s]
Wzorzec 2μs 6,50 0,265 7,589 0,320 3,64 3269,23 3269,23
Wzorzec 5μs 11,90 0,200 29550 8,82 3350,26
Al2O3(1) – A 6,37 0,321 20000 3,51 5694,61
Al2O3(1) – B 5,80 0,100 20000 2,97 6737,43
Al2O3(1) – C 6,23 0,306 20000 3,38 5909,84
Al2O3(2) – A 4,97 0,306 12600 2,17 5808,92
Al2O3(2) – B 6,13 0,351 19800 3,29 6021,43
Al2O3(2) – C 18,77 1,457 99300 15,41 6444,96
SiC – A 5,17 0,643 15200 2,36 6438,12
SiC – B 9,30 0,173 47600 6,33 7524,46
SiC – C 9,57 0,231 47800 6,58 7262,40
Żywica – A - - 29300 - -
Żywica – B 23,30 0,458 25400 19,76 1285,67
Żywica – C 11,07 0,603 10800 8,02 1346,50
ZrO2 – A 6,20 0,436 16200 3,35 4832,63
ZrO2 - B 7,87 0,058 10000 4,95 2019,78
Stal –A 10,20 0,346 24200 7,19 3366,07
Stal –B 16,87 0,306 148300 13,58 10916,68

Brak wartości pomiaru dla ściany A żywicy wynika z problemów odczytu pomiaru z lampy oscyloskopowej. Mimo wielokrotnych prób nie udało nam się wyznaczyć odpowiedniego piku.

Dla wzorca 2µs oraz 5µs obliczyliśmy różnicę θ między wartościami średnimi czasów tśred dla kolejnych ech oraz wartość θśred i odchylenie standardowe σθ dla wzorca 2µs. Uzyskane wartości zostały zebrane w Tabeli 5.

Dla metody przejścia fali podłużnej dokonaliśmy skalowania i zerowania defektoskopu. Na podstawie wyników z Tabeli 5. dla wzorca 2µs określiliśmy położenie „0” (pamiętając, ze używaliśmy 2 głowic) wg wzoru:

Następnie określiliśmy współczynnik „b” zamiany odczytanych wartości położenia impulsów pomiarowych dla wzorca 2µs na czas przejścia fali wg wzoru:

Obliczyliśmy też rzeczywisty czas przejścia poprzecznej fali ultradźwiękowej przez wzorce i badane kierunki próbek z wzoru:

Następnie obliczaliśmy prędkość rozchodzenia się poprzecznej fali ultradźwiękowej we wzorcach oraz dla kierunku pomiarowego badanych próbek z wzoru:

Kryterium odrzucania prędkości obliczonych, uznanych za błędne, przed wyliczeniem średniej prędkości fal podłużnych dla danej próbki:

Dla Al2O3 sześcian - odchylenie standardowe dla pomiaru czasu przejścia w przypadku fali podłużnej było na poziomie 1,7%, przyjęliśmy więc, że wszystkie 3 prędkości dla różnych kierunków będą wzięte pod uwagę przy liczeniu średniej. W przypadku fali poprzecznej różnica była na poziomie 15,5% toteż odrzuciliśmy wynik o największej różnicy, otrzymany dla ściany B.

Dla Al2O3 prostopadłościan- odchylenie standardowe dla pomiaru czasu przejścia w przypadku fali podłużnej było na poziomie 2,6%, przyjęliśmy więc, że wszystkie 3 prędkości dla różnych kierunków będą wzięte pod uwagę przy liczeniu średniej. W przypadku fali poprzecznej różnica była na poziomie 9,9% toteż odrzuciliśmy wynik o największej różnicy, otrzymany dla ściany C.

Dla SiC- odchylenie standardowe dla pomiaru czasu przejścia w przypadku fali podłużnej było na poziomie 3,9%, przyjęliśmy więc, że wszystkie 3 prędkości dla różnych kierunków będą wzięte pod uwagę przy liczeniu średniej. W przypadku fali poprzecznej różnica była na poziomie 14,4% toteż odrzuciliśmy wynik o największej różnicy, otrzymany dla ściany A.

Dla żywicy, rafy i ZrO2- prędkości uzyskane dla różnych kierunków dla fali podłużnej mają zbliżone wartości i nie odrzuciliśmy żadnej z nich przy obliczaniu średniej. Dla fali poprzecznej wyniki dla żywicy także są do siebie znacznie zbliżone, natomiast dla stali wyniki znacznie się od siebie różnią i do obliczeń wykorzystano wynik o wartości najbliższej wartości tablicowej. Wyniki dla poprzecznej fali dla ZrO2 znacząco różnią się od wartości teoretycznej, jednak ich średnia jest do niej zbliżona i tą wartość wykorzystano w obliczeniach.

Stałe materiałowe liczyliśmy w oparciu o wzory podane poniżej, wykorzystując wartości gęstości pozornych dla poszczególnych próbek wyznaczone w Tabeli 1 i prędkości fal (podłużnych lub poprzecznych) wyznaczone w Tabeli 3 i w Tabeli 5.

E-moduł Younga [GPa]

G-moduł sztywności [GPa]

µ-współczynnik Poissona

ρ-gęstość pozorna próbek [kg/m3]

VL-prędkość fal podłużnych [m/s]

VT - prędkość fal poprzecznych [m/s]

Tabela 6. Zestawienie wartości stalych materiałowych E, G, u, oraz średnich prędkości fali podłużnej i poprzecznej i gęstości pozornej dla wzorców i badanych próbek.

Próbka VL [m/s] VT [m/s] r [kg/m3] E [GPa] G [GPa] μ
wzorzec 2μs 5950,00 3297 7,80 238,97 84,79 0,23
wzorzec 5μs 6121,31 3350,26 7,80 249,76 87,55 0,24
I Al2O3 10282,34 5802,22 3,76 350,35 126,62 0,22
II Al2O3 10273,07 5915,17 3,75 355,11 131,14 0,20
SiC 11377,23 7393,43 3,01 381,83 164,79 0,10
Żywica 2760,41 1316,09 1,20 6,62 2,07 0,31
Stal 6008,80 3366,07 7,80 246,37 88,38 0,22
ZrO2 6539,65 3426,20 5,91 206,06 69,40 0,26

Porównanie wyników z danymi literaturowymi. Dane literaturowe dla wszystkich materiałów zaczerpnięto ze skryptu uczelnianego pod redakcją Jerzego Lisa „Laboratorium z nauki o materiałach”, AGH Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2003.

Tabela 7.Porównanie wyznaczonych wartości stałych materiałowych E,G, u z danymi literaturowymi.

wyznaczone literaturowe
Próbka E [GPa] G [GPa] μ E [GPa] G [GPa]
wzorzec 2 μs 238,97 84,79 0,23 210 79
wzorzec 5 μs 249,76 87,55 0,24 210 79
I Al2O3 350,35 126,62 0,22 390 156
II Al2O3 355,11 131,14 0,2 390 156
SiC 381,83 164,79 0,1 430 182
Żywica 6,62 2,07 0,31 3,4 1
Stal 246,37 88,38 0,22 210 79
ZrO2 206,06 69,4 0,26 167 62

Istotne rozbieżności występują dla:

Współczynnika Poissona większości badanych próbek, przy dobrym podobieństwie pozostałych wielkości. Współczynnik ten jest określany jako różnica potęg prędkości fal podłużnych i poprzecznych, przez co już niewielkie odchylenia od właściwej wartości vL i vT wywołują duże różnice. Na przykładjak widać w tabeli 6, II Al2O3 został scharakteryzowany mniejszym vL i wyższym vT niż I Al2O3 pomimo tego, iż zostały one wykonane z tego samego materiału. Duży błąd μ wynika z kumulacji względnie niewielkich rozbieżności zmierzonych wartości.

E i G próbki polimerowej również odbiegają od wartości literaturowych, w tym jednak przypadku są zawyżone. Duża różnica bezwzględna (ok. 70%) przedstawia się mniej groźnie w postaci względnej. Różnice 2,6 GPa i 1 GPa są to wartości, które w przypadku innych materiałów zostałyby zaniedbane, tu jednak stanowią znaczną część właściwej wartości. Można je wciąż tłumaczyć trudnościami występującymi podczas pomiaru.

W przypadku każdej próbki należy wziąć pod uwagę, iż dane literaturowe odnoszą się do pewnego reprezentatywnego materiału danego rodzaju i porównywanie ich z badanymi próbkami jest niepełne bez znajomości sposobu ich otrzymywania. Takie właściwości jak porowatość, anizotropia mikrostruktury czy występujące defekty znacząco wpływają na otrzymane wyniki.

Sprawdzenie czy badane ultradźwiękami próbki spełniały warunek ośrodka trójwymiarowego.

Tabela 8. Warunek ośrodka trójwymiarowego.

Próbka VL [m/s] f [MHz] λ [mm] C [mm] C/λ
wzorzec 2µs 5950 4 1,49 11,9 8,00
wzorzec 5µs 6121,31 4 1,53 29,55 19,31
I Al2O3 10282,34 4 2,57 20 7,78
II Al2O3 10273,07 4 2,57 12,6 4,91
SiC 11377,23 4 2,84 15,2 5,34
Żywica 2760,41 4 0,69 10,8 15,65
Stal 6008,8 4 1,50 24,2 16,11
ZrO2 6539,65 4 1,63 10 6,12

Warunek ośrodka trójwymiarowego ma postać C/λ>3. Na podstawie obliczeń z Tabeli 8. stwierdzamy, że wszystkie nasze próbki spełniały warunek ośrodka trójwymiarowego.

  1. Wnioski

Stosowana w tym badaniu metoda akustyczna z zastosowaniem dwóch głowic – nadawczej i odbiorczej jest trudniejsza w wykonaniu niż metoda odbicia. Znaczną trudność sprawić może odpowiednie ułożenie głowic względem siebie, które ze względu na konieczność pomiaru najkrótszej możliwej drogi między głowicami, powinny znajdować się w jednej osi. Może to być przyczyną tak znacznych błędów i odchyleń od wartości literaturowych. Pomiar wymaga więc jak najlepiej doświadczonego operatora.

Szczególnie uciążliwe było stosowanie fal poprzecznych, które dodatkowo wymagało kontroli kąta przyłożenia głowicy i większego wysiłku w utrzymaniu dobrego kontaktu głowica – próbka. Stosowanie żywicy kanadyjskiej nie zawsze było wystarczające, czy może jej nieefektywność wiązała się z, ponownie, niewprawnym sposobem doboru czasu wiązania i niestabilnością układu głowica nadawcza – próbka – głowica odbiorcza.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
DEFEKTY I ZMIANY CHOROBOWE KOŃCZYNY GÓRNEJ, Kosmetologia
defekty enzymatyczne pytania biochem
Defekty slajdy
Defekty semanyczne semiotyka
Defektoskopia ultradzwiekowa wstep
defekty produkcyjne
defekty
Odkryto mechanizm jednego z najdziwniejszych defektów mózgu
Defekty boczek
Defektoskopia ultradźwiękowa materiałów
wydyma defektoskopia ultradľwickowa, Laboratorium wytrzyma˙o˙ci materia˙˙w
Defekty punktowe są to?fekty których pozycja w sieci jest określona punktem a ich pole napreżeń ma w
defektoskopia sprawko Full HD
defektologia
Paznokcie choroby i defekty, Kosmetologia

więcej podobnych podstron