PRAKTIKUM ZFP II. Versuch 3: "Schallausbreitung in anisotropen Werkstoffen"

Transkript

1 UNIVERSITÄT DES SAARLANDES FACHBEREICH 15 WERKSTOFFWISSENSCHAFTEN UND FERTIGUNGSTECHNIK LEHRSTUHL FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG UND QUALITÄTSSICHERUNG Prof. Dr. M. Kröning Prof. Dr. W. Arnold 1. Einleitung: PRAKTIKUM ZFP II Versuch 3: "Schallausbreitung in anisotropen Werkstoffen" Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren Universität, Gebäude 37 D Saarbrücken Telefon: (0681) Telefax: (0681) Ein Festkörper wird als anisotrop bezeichnet, wenn seine physikalischen oder physikalischchemischen Eigenschaften von der Raumrichtung (Orientierung) abhängen. Man kann verschiedene Ursachen für die Anisotropie unterscheiden. In Einkristallen liegt ein wohldefiniertes kristallographisches Raumgitter mit seinen Hauptachsen vor. Dies ist die wichtigste Basis für anisotropes Verhalten. In polykristallinen Aggregaten ergeben sich Anisotropien aus Texturen, d.h. der Anordnung von Körnern mit nicht regelloser Orientierungsverteilung; es liegen eine oder mehrere Vorzugsrichtungen vor. In kristallinen, aber auch in amorphen Festkörpern oder anorganischen, hochpolymeren Gläsern können Vorzugsrichtungen eingeprägt werden, z.b. durch äußere oder innere Spannungen, durch Magnetfelder oder durch elektrische Polarisierung. Bei mehrphasigen Werkstoffen ergibt sich die Anisotropie aus der Anordnung der Phasen im Werkstoff zueinander. Die einzelnen Phasen haben dabei selbst, wie im Einkristall, ihre eigene Anisotropie, die bei einer nicht regellosen Verteilung der Phasen im Verbundwerkstoff sich makroskopisch bemerkbar macht. Das mechanische Verhalten eines anisotropen Werkstoffes unterscheidet man in elastisch anisotrop und anisotrop hinsichtlich der Kristallplastizität. Da wir uns in diesem Praktikum mit der Ausbreitung elastischer Wellen beschäftigen, lassen wir die Phänomene der Kristallplastizität hier außer Acht. Die Praktikumsanleitung gliedert sich in zwei Teile, die zur Durchführung der Versuche verstanden sein sollten. Der theoretische Teil dient zum Verständnis der Phänomene bei der Ausbreitung ebener Schallwellen im anisotropen Medium allgemein. Im experimentellen Teil werden anisotrope Festkörper mit Ultraschall in Kontakt- und Tauchtechnik untersucht und elastische Konstanten anhand von Schallgeschwindigkeiten bestimmt. Wichtig: Der Praktikumsanleitung sind Veröffentlichungen zur Ultraschallausbreitung in anisotropen Festkörpern beigefügt. Dies sind grundsätzliche Arbeiten, die zum Verständnis der Physik dienen, der der Praktikumsversuch zugrunde liegt. Die Vorbereitung zum Abschlußkolloquium wird im wesentlichen auf dem Verständnis der Literatur beruhen. 2. Durchzuführende Versuche: 2.1 Proben- und Gerätebeschreibung

2 2 Für den Versuch stehen verschiedene Probenmaterialien zur Verfügung. An diesen Testkörpern sollen Schallgeschwindigkeiten für Longitudinal- und Transversalwellen in Kontakttechnik gemessen werden. Dazu werden Prüfköpfe der Fa. Panametrics benutzt, und zwar ein 5 MHz Longitudinalwellen-Prüfkopf (V 109) und ein 5 MHz Transversalwellen- Prüfkopf (V 155). Als Sender/Empfänger dient das Ultraschallgerät USIP12 der Fa. Krautkrämer. Die Ultraschall-Laufzeiten werden an einem Oszilloskop (Fa. Tektronix) abgelesen und mit der gemessenen Laufstrecke in Geschwindigkeiten umgerechnet. Als Proben stehen zur Verfügung: Kupfer-Einkristall (Zylinder) Würfel Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), 0 geschnitten Würfel Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), 45 geschnitten Piezokeramik PZT, in Dickenrichtung polarisiert (PIC 133, ca. 2 mm Plättchen) Piezokeramik PZT, in Plattenebene polarisiert (PIC 133, ca. 2 mm Plättchen) Piezokeramik PZT, depolarisiert (PIC 133, ca. 2 mm Plättchen) 2.1 Versuchsdurchführung: Die Longitudinalwellen-Schallgeschwindigkeit wird für den Kupferzylinder in axialer Richtung gemessen. Der Ultraschall wird in die Probe eingekoppelt und das Oszilloskop so eingestellt, daß die Rückwandechos gut sichtbar sind. Mit Hilfe der Cursor am Oszilloskop wird die Laufzeit zwischen zwei Echos gemessen. Die gleiche Messung wird mit dem Transversalwellen-Prüfkopf wiederholt. Rotieren Sie den Prüfkopf auf der Stirnfläche und beobachten Sie, wie sich die Echos verändern. Notieren Sie die Transversalwellengeschwindigkeiten für eine ganze Umdrehung in 10 Schritten. Messen Sie die Longitudinalund Transversalgeschwindigkeiten der beiden GFK-Würfel auf den drei unterschiedlichen Würfelflächen. Bei den Scherwellen ist jeweils mit Polarisation in zwei Richtungen zu messen. Bei den drei Piezokeramiken sind die Schallgeschwindigkeiten jeweils nur in Dickenrichtung zu messen. Auch hier wieder bei den Scherwellen mit Teilchenauslenkung in Polarisationsrichtung und senkrecht dazu (siehe Abbildung 1). Scherwellenprüfkopf Schwingungsrichtung Schwingungsrichtung Piezokeramik, Piezokeramik, in Plattenebene polarisiert in Dickenrichtung polarisiert Abb.1: Schematische Darstellung zu Schallgeschwindigkeitsmessungen an polarisierter PZT-Keramik 2.1 Slowness-Kurven Der Versuch wird in Tauchtechnik durchgeführt. Als Probe steht ein zylindrisches Stück glasfaserverstärkter Kunststoff zur Verfügung. Die Kunststoffasern sind in der Matrix eingebettet, wie in Abb. 1 angedeutet. Die Probe wird zentrisch auf eine Rotationsvorrichtung geklebt, die Ultraschall-Laufzeiten werden in Tauchtechnik in Transmission gemessen. Als Sender dient ein 5 MHz Prüfkopf (Z5N20, Fa. Krautkrämer) mit einer Fokussierlinse (Zylinderlinse) von 15 mm Radius. Der Empfangsprüfkopf ist ein L5M (Fa. Krautkrämer),

3 3 (Fa. Krautkrämer), der mit einem Verstärker um 30 db nachverstärkt wird. Ähnlich dem B- Scan im Versuch Fehlerdarstellung (ZfP-Praktikum, Versuch 1) wird hier ein Schrieb aufgenommen, bei dem die Laufzeit gegen den Rotationswinkel (statt der linearen x- Bewegung des Scanners im anderen Versuch) aufgetragen wird. Φ Wasserbad Sender Empfänger GFK Probe Zylinderlinse (f=33 mm) Abb. 2: Meßanordnung (siehe Original) Das Sendesignal durchläuft die Vorlaufstrecke und den Prüfkörper in einer durch die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Materials bestimmten Zeit. Die Laufzeit ist also proportional der zurückgelegten Wegstrecke. Verfahren Sie die Rotationseinheit so, daß die Fasern zunächst parallel zur Schallachse liegen (Φ = 0 ). Das Oszilloskop wird so eingestellt, daß das Sende- und Empfangssignal gut sichtbar ist. Der A-Scan wird nun aufgetragen und daraus die Laufgeschwindigkeit in der Probe bestimmt (vergleichen Sie mit der in Kontakttechnik gemessenen Geschwindigkeit). Starten Sie dann den B-Scan und geben Sie als Laufstrecke 136 mm an, das entspricht einer ganzen Rotation des Prüflings. Die Laufzeiten sollen nun in Geschwindigkeiten umgerechnet werden. Die Slowness-Kurve wird nun erstellt, indem für verschiedene Raumrichtungen (in 10 -Schritten) die inversen Phasengeschwindigkeiten aufgetragen werden. Ersetzen Sie nun die GFK-Probe durch den Kupfer-Einkristall und führen Sie die Messung erneut durch. 2.4 Schallaufspaltung im anisotropen Werkstoff In Tauchtechnik wird zunächst das Schallfeld eines fokussierenden Prüfkopfes vermessen. Der Sender ist dabei wiederum der Z5N20 mit 15 mm Fokuslänge. Zunächst soll das Schallfeld des Prüfkopfes vermessen werden. Das geschieht, indem ein C-Scan im Abstand von 72 cm von der Probe gemacht wird. Das C-Bild gibt die Information über die Geometrie und Intensitätsverteilung des Schallfeldes. Da aber der Empfängerprüfkopf selbst auch eine endliche Apertur hat, ist das gemessene Schallfeld eine Faltung aus den Schallfeldgeometrien beider Prüfköpfe. Danach wird eine Scheibe der GFK-Probe so zwischen die beiden Prüfköpfe gestellt, daß die Fasern genau parallel zur Schallachse liegen. Der C-Scan wird erneut gestartet, das C-Bild gibt dann das durch den anisotropen Körper veränderte Schallfeld wieder. Als Beispiel, wie eine Schallwelle im anisotropen Festkörper aufgespalten werden kann, dienen folgende Abbildungen. Gezeigt wird in Bild 3 die drei verschiedenen Schallwellentypen im anisotropen Medium. Anders, als hier schematisiert, ist die Aufspaltung von einfallenden Ultraschall im Glasfaserwerkstoff zu verstehen. Dadurch, daß das einfallende Schallbündel fokussiert ist, treffen die einzelnen Schallstrahlen die Probenoberfläche unter einem

4 4 bestimmten Winkel. Wegen der Anordnung der Glasfasern in der Epoxidmatrix laufen die Schallstrahlen nicht ungehindert durch den Festkörper, sondern werden nach einem bestimmten Muster abgelenkt, siehe auch Anlage. Die 3 möglichen Ultraschallstrahlen im akustisch anisotropen Medium bei Senkrechteinschallung. Die Schallstrahlen sind i.a. nicht koplanar. Schlierenoptische Aufnahme einer quasi- Transversalwelle (links) und einer quasi- Longitudinalwelle (rechts) im anisotropen Medium. Wellenfronten parallel zur Oberfläche des Quarzkristalls, auf der ein Scherschwinger (links) und ein Dickenschwinger (rechts) angekoppelt sind. 2.5 Berechnung der elastischen Konstanten C 11, C 33, C 44, C 66 und C 13 an GFK Die elastischen Konstanten sollen am GFK-Würfel bestimmt werden. Aus den gemessenen Geschwindigkeiten können die Konstanten nach den folgenden, sich aus dem theoretischen Teil ergebenden Formeln berechnet werden: C 11 = ρ V qp 2 (0 ), C 33 = ρ V qp 2 (90 ), C 44 = ρ V qsv 2 (90 ) = ρ V SH 2 (90 ), C 66 = ρ V qsv 2 (0 ), C 13 = f (ρ,v qp 2 (θ)) = F (ρ,v qsv 2 (θ)) Hier gehen die Materialdichte ρ und die Ultraschallgeschwindigkeiten unter 0 und 90 zur Rotationssymmetrieachse ein. Wie angedeutet, wird die Konstante C 13 aus Messungen der Ultraschallgeschwindigkeiten unter anderen Winkeln bestimmt. Für 45 gilt ρ V qp,qsv 2 (θ) = 0.25 [C 11 +C 33 +2C 66 ±((C 33 -C 11 ) 2 +4(C 13 +C 66 ) 2 ) 0.5 ], woraus C 13 bestimmt werden kann. 2.6 Aufgabe: Messen Sie die Schallgeschwindigkeit in den piezoelektrischen Materialien mit Transversalund Longitudinalwellen und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den entsprechenden Werten

5 5 für die depolarisierte Probe. Stellen Sie dazu die Schwingungsrichtung der Transversalwellen einmal parallel und einmal senkrecht zu der elektrischen Polarisierung ein. 4. Fragen 1. Welche Arten und Ursachen von Anisotropien können in einem Festkörper auftreten und wie können diese in einem Werkstoff aufgeprägt werden? 2. Was heißt transversal isotrop und in welchen Festkörpern kann transversale Isotropie nie auftreten? 3. Welche drei grundsätzlich verschiedenen Wellenarten kennen Sie? 4. Welchen Zusammenhang beschreibt das verallgemeinerte Hookesche Gesetz? 5. Warum ist das piezoelektrische Material durch die Polarisierung anisotrop? 5. Literatur Kittel, Ch.: Einführung in die Festkörperphysik, Kapitel 4: Elastische Konstanten und elastische Wellen, R. Oldenbourg Verlag, München, Wien, John Wiley& Sons GmbH, Frankfurt Neumann, E. et al.: Ultraschallprüfung von austenitischen Plattierungen, Mischnähten und austenitischen Schweißnähten, Kapitel 1: Ausbreitung ebener Schallwellen im akustisch anisotropen kristallinen Material, Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim, 1995 Krautkrämer J. und H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Berlin, Heidelberg, New York: Springer Kino G: Acoustic Waves, Prentice-Hall, 1989 Auld, B.: Acoustic Fields and Waves in Solids, New York: Wiley, 1973 Musgrave, M.J.P.: Crystal Acoustics, Cambridge: Holden-Day, 1970 Dieulesaint, E. and Royer, D.: Elastic Waves in Solids, New York: Wiley, 1980