SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Spec. Inżynieria Mineralna	Podstawy nauk o materiałach
Damian Krupa (254492) Andrzej Kałkowski (254491)	II. Ultradźwiękowa metoda wyznaczania modułu Younga
Termin zajęć: 22.10.2015

1. Wstęp

1.1 Cel ćwiczenia

Wyznaczenie metodą ultradźwiękową modułu Younga w cegle magnezytowej, i na tej podstawie charakterystyka geometryczna porowatości tegoż materiału.

1.2 Podstawy teoretyczne

Wstaw jeszcze wzór na R_E ­ i go łądnie opisz.

Wstaw jeszcze przekształcony wzór na moduł Kirchoffa G i go ładnie opisz.

1.3 Sprzęt

2. Charakterystyka badanego materiału

Pomiar tych paramentów nie był celem ćwiczenia, toteż informacje te zaczerpnięto z literatury (patrz Bibliografia).

Tabla 1. Opis próbki

Nr próbki	Rodzaj tworzywa	V [-]	ϱ [kg/m^3]	E0 ­Ew VP
18	Cegła magnezytowa	0,14	2800	-

3. Metodyka i obliczenia

Po podłączeniu próbnika do standardowej sieci elektrycznej i zweryfikowaniu, że urządzenie działa prawidłowo, ustawiono przełącznik dokładności odczytu na 0,02 us., po czym skalibrowano maszynę. Dokonano tego na wzorcu mikrosekundowym 2 us. W tym celu na głowicę odbiorczą nałożono wzorzec w postaci płaskiej powierzchni, a następnie dociśnięto głowicą nadawczą (dociskanie próbki wzorcowej głowicami dokonywano w poziomie, gdyż w zależności od ułożenia głowic pomiary czasu przejścia fali się różniły). Podczas dociskania ustawiono za pomocą pokrętła „zero” wartość 2,00 us.

Za pomocą suwmiarki o dokładności 0,1 mm, zmierzono cegłę w trzech kierunkach x, y, z. Pomiar dokonano dla każdego kierunku trzykrotnie, po czym wyniki uśredniono (l_śr.).

Tabla 2. Pomiary wymiarów geometrycznych cegły magnezytowej

Nr	Kierunek	l Długość [mm]	lśr Średnia długość [mm]
1	x	234,9	234,3
2		234,0
3		234,2
4	y	116,9	111,7
5		117,0
6		117,8
7	z	74,3	74,2
8		74,1
9		74,0

Pomiar prędkości rozchodzenia się fali w cegle magnezytowej dokonano w trzech kierunkach, zaczynając od wymiaru najdłuższego do najkrótszego: x, y, z. W każdym z trzech kierunków dokonano trzykrotnego pomiaru czasu rozchodzenia się fali, a następnie wyniki te uśredniono (t_śr.).

Tabla 3. Pomiary czasu przejścia fali ultradźwiękowej przez cegłę magnezytową

Nr	Kierunek	t Czas [us]	tśr Średni czas [us]
1	x	59,16	58,05
2		56,56
3		58,44
4	y	30,44	30,55
5		30,64
6		30,58
7	z	20,41	21,19
8		22,86
9		20,32

W następnej kolejności obliczono średnie prędkości rozchodzenia się ultradźwiękowej fali w cegle magnezytowej (G_śr.L). Kolejny etap obliczeń polegał na wyznaczeniu modułów Younga w trzech kierunkach (E_śr). Wykalkulowano współczynnik anizotropii (R_E) a także moduł Kirchoffa (G).

Tabla 4. Zbiorcza tabela dokonanych pomiarów i obliczeń dla cegły magnezytowej

Nr próbki	Kierunek	lśr. [mm]	tśr. [us]	GL.śr. [m/s]	V­ [-]	ϱ [kg/m^3]	Eśr. [GPa]	G [GPa]	RE [-]
18	x	234,3	58,05	4037,00	0,14	2800	43,55	19,10	1,33
	y	111,7	30,55	3495,94			32,66	14,33
	z	74,2	21,19	3836,94			39,34	17,25

4. Podsumowanie i wnioski

Dynamiczna, ultradźwiękowa metoda wyznaczania moduły Younga jest narzędziem bardzo użytecznym a zarazem wysoce dokładnym w porównaniu do statycznych metod wyznaczania tegoż parametru. Jest to zwłaszcza metoda nieinwazyjna i nader praktyczna; można bowiem badać gotowe wyroby i półfabrykaty. Autorzy niniejszego sprawozdania stwierdzili, że do jej zalet z pewnością także należy wysoka prędkość i stosunkowa łatwość w dokonywaniu pomiarów w porównaniu do metod statycznych.

Na podstawie otrzymanych wyników można wywnioskować kształty geometryczne porów cegły, a co za tym idzie, kierunek jej prasowania. Autorzy niniejszego skryptu przypuszczali, że kształt porów będzie maksymalnie rozciągnięty wzdłuż najdłuższego wymiaru geometrycznego (x) cegły, krótszy wzdłuż y i najkrótszy wzdłuż kierunku prasowania z. Antycypacje te zostały zweryfikowane obliczeniami. Badana cegła magnezytowa posiadała stosunkowo dużą gęstość (2800 kg/m³), co jest podstawowym czynnikiem wpływającym na rozchodzenie się fali ultradźwiękowej w ośrodku nieograniczonym, przestrzennym. Dla porównania, prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu wynosi ok. 340 m/s, lecz w najlepszych tworzywach ceramicznych (najbardziej gęstych) dochodzi, aż do dwóch rzędów większych prędkości.

5. Bibliografia

J. Białoskórski i in., Laboratorium z nauk o materiałach, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydatktyczne, Kraków 2000