Đo mô đun đàn hồi bằng thiết bị siêu âm

Đo mô đun đàn hồi vật liệu với 45MG

Module đàn hồi của vật liệu là gì?

Mô đun đàn hồi Young – Young’s modulus of elasticity được định nghĩa là tỷ số giữa ứng suất (lực trên một đơn vị diện tích) với biến dạng tương ứng (biến dạng) trong vật liệu chịu lực kéo hoặc nén.

Mô đun đàn hồi ngang – Shear modulus of elasticity tương tự như tỷ lệ giữa ứng suất và biến dạng trong vật liệu chịu ứng suất cắt.

Tỷ số Poisson là tỷ số giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc trục tương ứng trên vật liệu chịu ứng suất dọc theo một trục.

Những đặc tính vật liệu cơ bản này được sử dụng trong nhiều ứng dụng sản xuất và nghiên cứu, có thể được xác định thông qua tính toán dựa trên vận tốc âm thanh và mật độ vật liệu đo được. Vận tốc âm thanh có thể được đo dễ dàng bằng kỹ thuật xung siêu âm với thiết bị thích hợp.

Quy trình chung được nêu dưới đây áp dụng cho mọi vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và không phân tán (vận tốc không thay đổi theo tần số). Phạm vi này bao gồm hầu hết các kim loại thông thường, gốm sứ công nghiệp và thủy tinh miễn là kích thước mặt cắt ngang không gần với bước sóng tần số thử nghiệm. Các loại nhựa cứng như polystyrene và acrylic cũng có thể đo sử dụng phương pháp này, mặc dù khó đo hơn do độ suy giảm âm thanh cao hơn.

Vật liệu cao su không thể phân biệt bằng siêu âm vì tính phân tán cao và đàn hồi phi tuyến tính. Tương tự, nhựa mềm có độ suy giảm rất cao ở chế độ cắt và thường không thể kiểm tra được. Đối với các vật liệu dị hướng, đặc tính đàn hồi thay đổi theo hướng, cũng như vận tốc âm thanh sóng dọc và/hoặc sóng ngang. Việc tạo ra một ma trận đầy đủ các mô đun đàn hồi trong các mẫu dị hướng thường yêu cầu sáu bộ phép đo siêu âm khác nhau. Độ xốp hoặc độ hạt thô trong vật liệu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo mô đun siêu âm vì những điều kiện này có thể gây ra sự thay đổi vận tốc âm thanh dựa trên kích thước và hướng hạt hoặc kích thước và phân bố độ xốp, không phụ thuộc vào độ đàn hồi của vật liệu.

Thiết bị sử dụng để tính toán mô đun đàn hồi

Các phép đo vận tốc để tính toán mô đun thường được thực hiện bằng máy đo độ dày chính xác, chẳng hạn như thiết bị 38DL PLUS™ hoặc thiết bị 45MG với phần mềm Single Element hoặc thiết bị siêu âm khuyết tật có khả năng đo vận tốc, chẳng hạn như thiết bị EPOCH™ 650 hoặc EPOCH 6LT . Máy đo độ dày 72DL PLUS™ cung cấp các phép đo thời gian truyền (TOF) có độ phân giải cao hơn, dẫn đến các phép đo vận tốc có độ chính xác cao hơn.

Thử nghiệm này cũng yêu cầu hai đầu dò thích hợp với vật liệu đang được thử nghiệm để đo vận tốc âm thanh xung-vọng ở chế độ dọc và chế độ sóng ngang. Các đầu dò thường được sử dụng bao gồm đầu dò sóng dọc băng thông rộng M112 hoặc V112 (Tần số 10 MHz) và đầu dò sóng ngang V156 (tần số 5 MHz). Chúng hoạt động tốt với nhiều mẫu gốm và kim loại thông thường. Các đầu dò khác nhau sẽ được yêu cầu đối với các mẫu rất dày, rất mỏng hoặc có độ suy giảm cao. Một số ứng dụng cũng có thể yêu cầu sử dụng kỹ thuật truyền qua, với các cặp đầu dò được đặt ở các phía đối diện của vật liệu cần đo. Liên hệ với VISCO để có khuyến nghị cụ thể về đầu dò và hỗ trợ thiết lập thiết bị.

Mẫu thử nghiệm có hình dạng hình học cho phép đo xung/vọng theo thời gian truyền âm qua vật liệu có độ dày. Lý tưởng nhất là mẫu phải dày ít nhất 12,5 mm (0,5 in.) với bề mặt song song, nhẵn và chiều rộng hoặc đường kính lớn hơn đường kính của đầu dò đang được sử dụng. Hãy thận trọng khi kiểm tra các mẫu hẹp do các hiệu ứng cạnh có thể xảy ra có thể ảnh hưởng đến thời gian truyền xung đo được. Độ phân giải sẽ bị hạn chế khi sử dụng các mẫu rất mỏng do những thay đổi nhỏ về thời gian truyền xung trên các đường truyền âm ngắn. Vì lý do đó, chúng tôi khuyến nghị các mẫu nên dày ít nhất 5 mm (0,2 in.), tốt nhất là dày hơn. Trong mọi trường hợp, độ dày của mẫu thử phải được biết chính xác.

Quy trình tính toán mô đun đàn hồi sử dụng thiết bị kiểm tra độ dày và siêu âm khuyết tật

Đo tốc độ âm thanh dọc và sóng ngang của mẫu thử bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi và thiết bị đo thích hợp. Phép đo sóng ngang sẽ yêu cầu sử dụng chất tiếp âm có độ nhớt cao chuyên dụng, chẳng hạn như SWC-2. Máy đo độ dày 38DL PLUS hoặc máy đo độ dày 45MG với phần mềm Single Element có thể cung cấp thông số trực tiếp về vận tốc vật liệu dựa trên độ dày mẫu đã nhập. Máy dò khuyết tật dòng EPOCH có thể đo vận tốc thông qua quy trình hiệu chuẩn vận tốc. Trong cả hai trường hợp, hãy làm theo quy trình được khuyến nghị để đo vận tốc như được mô tả trong hướng dẫn vận hành thiết bị. Chỉ cần ghi lại thời gian di chuyển qua một khu vực có độ dày đã biết bằng cả đầu dò sóng dọc và sóng ngang, sau đó tính toán:

Để đo vận tốc có độ chính xác cao, nên sử dụng máy đo độ dày siêu âm 72DL PLUS (+ hoặc – 10 pico giây). Chuyển đổi các đơn vị cần thiết để thu được vận tốc được biểu thị bằng inch trên giây hoặc centimet trên giây (thời gian thường được đo bằng micro giây, do đó nhân tính bằng/uS hoặc cm/uS với 10⁶ để thu được in/S hoặc cm/S). Vận tốc thu được có thể được đưa vào các phương trình sau:

Lưu ý về đơn vị đo: nếu vận tốc âm thanh được biểu thị bằng cm/S và mật độ âm thanh tính bằng g/cm³ thì mô đun Young sẽ được biểu thị bằng đơn vị dynes/cm² . Nếu bạn đang sử dụng đơn vị hệ Anh là in/S và lbs/in³ để tính mô đun tính bằng pound trên inch vuông (PSI), hãy nhớ sự khác biệt giữa pound là đơn vị lực và đơn vị khối lượng. Vì mô đun được biểu thị dưới dạng lực trên một đơn vị diện tích, nên khi tính theo đơn vị Anh, cần phải nhân nghiệm của phương trình trên với hằng số chuyển đổi khối lượng/lực là (1 / gia tốc trọng trường) để thu được mô đun tính bằng PSI. Ngoài ra, nếu phép tính ban đầu được thực hiện theo đơn vị hệ mét, hãy sử dụng hệ số chuyển đổi 1 PSI = 6,89 × dynes/ cm² . Một lựa chọn khác là nhập vận tốc tính bằng in/S, mật độ tính bằng g/cm³ và chia cho hằng số chuyển đổi là 1.07 × 10⁴ để thu được mô đun tính bằng PSI.

Đối với mô đun đàn hồi ngang, chỉ cần nhân bình phương của vận tốc sóng biến dạng với mật độ. Một lần nữa, sử dụng đơn vị cm/S và g/cm³ để thu được mô đun tính bằng dynes/cm² hoặc đơn vị in/S và lbs/in³ của Anh và nhân kết quả với hằng số chuyển đổi khối lượng/lực.

Tài liệu tham khảo

Để biết thêm thông tin về phép đo siêu âm mô đun đàn hồi, hãy đọc các tài liệu sau:

Moore, P. (ed.), Cẩm nang kiểm tra không phá hủy, Tập 7, Hiệp hội kiểm tra không phá hủy Hoa Kỳ, 2007, trang 319-321.
Krautkramer, J., H. Krautkramer, Kiểm tra siêu âm vật liệu, Berlin, Heidelberg, New York 1990 (Ấn bản thứ tư), trang 13-14, 533-534.