Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
DAMAGE DETECTION IN Mg-ALLOYS BY NONLINEAR ULTRASONIC SPECTROSCOPY DETEKCE POŠKOZENÍ Mg SLITIN NELINEARNÍ ULTRAZVUKOVOU SPEKTROSKOPIÍ Jan KOBER*, ZdenČk PěEVOROVSKÝ**, Zuzanka TROJANOVÁ*** *Czech Technical University in Prague, Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering **Institute of Thermomechanics AS CR, v.v.i., NDT Department ***Charles University in Prague, Faculty of Mathematics and Physics
[email protected]
Abstract Nondestructive evaluation of materials using nonlinear ultrasonic spectroscopy (NEWS) was performed on flat samples of Mg alloys. Initial state of variously prepared alloys specimens was tested by two-frequency NEWS method - Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy (NWMS). Three piezoelectric transducers were attached to a specimen. Two of them transmitted harmonic signals of different frequencies and the remaining sensor acted as signal receiver. Amplitude of one emitted signal was increased in defined steps so as to observe nonlinear effects. Consequently, spectral analysis of received signals was carried out, and harmonic or intermodulation spectral components were evaluated. Derived nonlinear parameters of tested samples were compared with results of visual inspection and metallographic analysis. Key words: nonlinear wave modulation spectroscopy, Mg alloys, Nondestructive Evaluation of Materials (NDE). Abstrakt Na plochých zkušebních tČlesech z hoĜþíkových slitin byl metodou nelineární ultrazvukové spektroskopie (NEWS) testován výchozí stav rĤznČ pĜipravených vzorkĤ. K nedestruktivnímu hodnocení byla použita dvou-frekvenþní NEWS metoda nelineární vlnovČ modulaþní spektroskopie (NWMS). Na zkušební tČlesa byly pĜipevnČny 3 piezoelektrické mČniþe, z nichž dva vysílaly harmonické signály o rozdílných frekvencích a zbylý mČniþ zaznamenával odezvu na buzení. Amplituda jednoho z vysílaných harmonických signálĤ byla postupnČ zvyšována tak, aby se projevily nelineární efekty. NáslednČ byla provedena spektrální analýza zaznamenaných signálĤ s vyhodnocením harmonických a intermodulaþních složek. Na základČ spekter byly vyhodnocovány nelineární parametry. Získané spektrální charakteristiky byly porovnávány s výsledky vizuálního pozorování zkušebních tČles na výskyt defektĤ a s výsledky metalografické analýzy. Klíþová slova: nelineární vlnovČ modulaþní spektroskopie, Mg slitiny, nedestruktivní hodnocení materiálĤ.
DEFEKTOSKOPIE 2010
325
Úvod Podíl nasazení slitin hoĜþíku v prĤmyslových aplikacích se stále zvyšuje. Slitiny hoĜþíku disponují výhodným pomČrem pevnosti a hustoty. Jednou z nejþastČji používaných slitin je slitina AZ91, která obsahuje legující prvky hliník a zinek. Používá se pro lití pĜesných konstrukþních dílĤ i na výrobu válcovaných a protlaþovaných profilĤ. Výhodné mechanické vlastnosti AZ91 (pevnost, houževnatost a odolnost vĤþi vysokocyklické únavČ) jsou do jisté míry podmínČny vlastnostmi struktury materiálu. Obecnou nevýhodou hoĜþíkových slitin je jejich citlivost na pĜítomnost koncentrátorĤ napČtí (napĜ. konstrukþních vrubĤ a pĜedevším trhlin) [1-3]. Uvedené skuteþnosti poukazují na potĜebu využití metod nedestruktivního hodnocení materiálu. V tomto þlánku jsou demonstrovány možnosti použití metody nelineární vlnovČ modulaþní spektroskopie na vzorcích z válcované slitiny AZ91 obsahujících defekty. Materiál Zkoušena byla þtyĜi plochá válcovaná tČlesa z hoĜþíkové slitiny AZ91. RozmČry zkušebních tČles byly shodnČ 120 x 15 x 1,5 mm. Slitina AZ91 je bČžnČ používána pro tlakové lití a na výrobu plechĤ válcovaných za tepla. Hlavními legujícími prvky jsou Al (9 hm. %), Mn (0,13 hm. %) a Zn (0,7 hm. %). Mangan se do slitiny pĜidává za úþelem zjemnČní zrna, zinek a hliník pro zvýšení pevnosti [4]. Na zkušebních tČlesech byla provedena kvalitativní EDX analýza, která odhalila výraznČjší zastoupení dalších prvkĤ, pĜedevším C a O. Jejich obsah byl ale na sledovaných vzorcích srovnatelný. Mikrostruktura materiálu je tvoĜena zrny tuhého roztoku Mg a Zn, þásticemi intermetalické fáze Mg17Al12 a kulovitými þásticemi Mn.
a)
b)
Obr. 1: Rozdíly v mikrostruktuĜe materiálu v rovinČ válcování. a) mikrostruktura vzorku 11 b) mikrostruktura vzorku 15
326
DEFEKTOSKOPIE 2010
Struktura analyzovaných vzorkĤ vykazuje výraznou texturu danou válcováním a je znaþnČ nehomogenní. Metalografická analýza odhalila významné rozdíly v mikrostruktuĜe jednotlivých vzorkĤ (viz obr. 1). Pro strukturu materiálu vzorku 11 jsou typické oddČlené oblasti jemných rovnoosých zrn s výskytem jemných kulovitých þástic precipitátu Mg17Al12 na hranicích zrn. Místy dochází ke koalescenci precipitátĤ do hrubších þástic orientovaných do smČru válcování. Struktura materiálu vzorku 15 vykazuje þastČjší výskyt hrubých þástic precipitátu. Tyto þástice ale nejsou spojeny do vČtších celkĤ jako u struktury materiálu vzorku 22. Metalografická analýza vzorku 23 nebyla provedena. Zkušební tČlesa byla také pozorována pod stereomikroskopem pĜi relativnČ malých zvČtšeních. Na stČnách tČles, které byly kolmé k rovinČ válcování, byly pozorovány podélné trhliny. Trhliny ležely pĜevážnČ v rovinČ válcování a zpravidla se nacházely blízko pod povrchem tČlesa (viz Obr.2a). Nejvíce trhlin bylo zaznamenáno na vzorku 15. Vzorek obsahoval trhlinu sahající od konce až ke stĜedu tČlesa (tj. cca 6 cm dlouhá trhlina obr. 2b) a nČkolik menších trhlin o rozmČrech nepĜesahujících 1 cm. U vzorkĤ 11 a 23 bylo zaznamenáno stejné množství trhlin rozmČry nepĜesahující 1 cm. Na vzorku 22 nebyly žádné podpovrchové trhliny objeveny. Drobné trhlinky ale byly pozorovány na metalografickém výbrusu.
a)
b)
Obr. 2: Poškození vzorku 15: a) svČtelná mikroskopie, b) SEM. Metodika NWMS Pro hodnocení vad ve vzorcích byla použita metoda nelineární vlnovČ modulaþní spektroskopie (NWMS) [5,6]. Metoda vyžaduje použití nejménČ tĜí ultrazvukových mČniþĤ. Dva z nich vysílají budící harmonické signály o rozdílných frekvencích f1 a f2. Odezva na buzení je souþasnČ zaznamenávána prostĜednictvím zbylých snímaþĤ. Obecné schéma experimentálního uspoĜádání je na obr. 3. Konkrétní hodnoty budících frekvencí f1 a f2 jsou voleny s ohledem na vlastnosti použitých budiþĤ a na geometrii a mechanické (modální) vlastnosti zkoušeného tČlesa. ObecnČ mají být
DEFEKTOSKOPIE 2010
327
budící frekvence voleny mimo rezonanþní frekvence zkoušeného tČlesa i budiþĤ. Frekvence f1 je volena alespoĖ tĜikrát nižší než frekvence f2, ale nesmí být jejím celoþíselným násobkem. Dále je vhodné, aby typický interval mezi harmonickými frekvencemi a intermodulaþními frekvencemi ǻ (1) byl co nejvČtší. Potom bude zaruþeno dobré rozlišení jednotlivých spektrálních složek mČĜeného signálu. (1) MČĜení probíhá tak, že zkoušené tČleso je souþasnČ buzeno harmonickými signály o frekvencích f1 a f2. Amplituda signálu s frekvencí f2 se bČhem mČĜení nemČní a amplituda signálu s frekvencí f1 je postupnČ zvyšována v nČkolika krocích. Pro každý krok je zaznamenána odezva zkoušeného tČlesa. NáslednČ je provedena spektrální analýza zaznamenaných signálĤ a vyhodnoceny harmonické složky f1 a intermodulaþní produkty (postranní pásma okolo frekvence f2 a jejích harmockých) . f1
PC
osciloskop
zkoušené tČleso
f2
generátor
pĜedzesilovaþ Obr. 3: Schéma konfigurace experimentu Defekty ve zkoušeném tČlese se projeví nelineárním rĤstem harmonických a intermodulaþních složek spektra odezvy. Informace o poškození pĜichází z objemu tČlesa pĜibližnČ vymezeného polohou budiþĤ a pĜijímaþĤ. PĜi použití rĤzných konfigurací polohy budiþĤ a pĜijímaþĤ metoda umožĖuje vymezení defektních oblastí. Urþení rozsahu poškození je možné pouze komparativnČ. Výsledky mČĜení a diskuse Vzorky Mg slitiny byly upevnČny do mČĜícího pĜípravku. Budiþe harmonických signálĤ byly umístČny naproti sobČ ve svČrkách. Akustická vazba byla tvoĜena pĜes silikonovou vazelínu. PĜijímaþ odezvy byl kyanoakrylátovým lepidlem pĜitmelen na druhém konci tČlesa (viz obr. 4). Aby se vylouþily vlivy experimentálního uspoĜádání na výsledky mČĜení, byla provedena série mČĜení pĜi rĤzných konfiguracích poloh budiþĤ a pĜijímaþe. Bylo prokázáno, že výsledky mČĜení pĜi rĤzných konfiguracích jsou srovnatelné. PĜi mČĜení byly piezoelektrické mČniþe buzeny signály o frekvencích f1 = 138 kHz a f2 = 399 kHz. Budící amplituda signálu s frekvencí f1 byla zvyšována v 17 stejných krocích v rozmezí 2 – 10 V. Amplituda signálu s frekvencí f2 byla 5 V a nebyla mČnČna. Odezva zaznamenaná pĜijímaþem byla vedena pĜes pĜedzesilovaþ se zesílením 20 dB. Souþástí pĜedzesilovaþe byl i filtr typu horní propust s mezní
328
DEFEKTOSKOPIE 2010
frekvencí 20 kHz. Signály odezvy byly zaznamenávány do PC pomocí USB osciloskopu a celý prĤbČh mČĜení byl Ĝízen z programového prostĜedí MATLAB. Signály odezvy byly vzorkovány frekvencí 25 MHz (14 bit ADC) s délkou záznamu 128 kslov. f1
odezva
f2 Obr. 4: Experimentální uspoĜádání zkoušek vzorkĤ Mg slitiny. Ze záznamĤ byla vyhodnocována frekvenþní spektra signálĤ a z nich byly odeþteny amplitudy složek odpovídající harmonickým frekvencím od f1 a f2 a intermodulaþním produktĤm (f1±f2, f1±2f2, 2f1±f2 apod.). Amplitudy zkoumaných složek byly vyhodnoceny tak, že byla odeþtena výška odpovídajícího maxima od lokální stĜední hladiny šumu (viz obr.5b) 0 -1
AU
-2 -3 -4 -5 -6 0
200
400
600
800
1000
f [kHz]
a)
b)
Obr. 5: a) VýĜez z namČĜeného spektra v semilog. souĜadnicích s vyznaþenými harmonickými (teþkovanou þarou) a intermodulaþními frekvencemi (þárkovanou þarou). b) Ukázka odeþtu hodnoty maxima ze spektra v lineárních souĜadnicích Odeþtené hodnoty amplitud byly normovány amplitudou složky o frekvenci f1. Tímto zpĤsobem bylo možné hodnotit nelineární chování analyzovaných složek spektra.
DEFEKTOSKOPIE 2010
329
Jako nejvhodnČjší ukazatel nelinearity se u všech vzorkĤ jevil intermodulaþní produkt f2 + 2f1. PĜi použití metody NWMS se zpravidla hodnotí postranní pásma okolo dané frekvence spoleþnČ, ale pĜi dané volbČ budících frekvencí je produkt f2 - 2f1 výraznČji ovlivnČn blízkostí f1. Závislost amplitudy složky f2 + 2f1, normované amplitudou f1, na amplitudČ budícího signálu s frekvencí f1 je na obr. 6a. Jako souhrnný parametr nelineárity lze vyhodnotit smČrnici uvedené závislosti. Její hodnoty pro jednotlivá tČlesa jsou vynesena do grafu na obr. 6b. Hodnoty získaných nelineárních parametrĤ jsou v dobrém souhlasu s informacemi zjištČnými o vzorcích vizuálním pozorováním a podrobnou metalografickou analýzou. NejvČtší nelinearitu vykazuje vzorek 15, na kterém bylo nalezeno nejvíce drobných trhlin, zpĤsobených pĜípravou vzorku. Nelineární odezva vzorkĤ 11 a 23 je srovnatelná, což odpovídá rozsahu poškození pozorovanému vizuálnČ. V pĜípadČ nelinearity vzorku 22 jde pravdČpodobnČ o spolupĤsobení odezvy od drobných trhlin a vlastností struktury materiálu (velikost a deformace zrn), která je výraznČ odlišná od ostatních vzorkĤ. Bylo experimentálnČ zjištČno, že pro uskuteþnČná mČĜení jsou výsledky použité metody nezávislé na konfiguraci polohy budiþĤ a pĜijímaþe a na volbČ budících frekvencí. Hlavním kritériem pro porovnatelnost jednotlivých mČĜení je pĜibližná shoda amplitud signálové odezvy na dané buzení. -3
3
x 10
x 10
vz11 vz15 vz22 vz23
2.5
2
2
|2f1 +f2 |/|f1 | (1)
4
1.5
1
1
0.5
11
15
22
0
0
2
3
4
5
6
7
8
9
23
10
Uf1 (V)
a)
b)
Obr. 6: a) Závislost amplitudy intermodulaþní složky f2 + 2f1 na amplitudČ budícího signálu pro sledované vzorky b) porovnání smČrnic regresních pĜímek proložených závislostmi ad a)
330
DEFEKTOSKOPIE 2010
ZávČry Na vzorcích Mg slitiny AZ91 byly zkoumány možnosti detekce vad ve vzorku pomocí nelineární ultrazvukové spektroskopie (NEWS). Aplikací NEWS metody dvoufrekvenþního smČšování (NWMS) bylo porovnáním výsledkĤ s metalografickou analýzou zjištČno, že metoda není závislá na konkrétním experimentálním uspoĜádání a volbČ budících frekvencí. Hlavním kritériem porovnatelnosti výsledkĤ mČĜení na více tČlesech je srovnatelná velikost amplitudy odezvy na dané buzení. Spektrální rozborem získané nelineární parametry dobĜe korelují s materiálovými defekty zjištČnými jinými metodami. ÚroveĖ nelinearity ve zkušebních tČlesech, charakterizovaná amplitudou intermodulaþního produktu f2 + 2f1 je pravdČpodobnČ urþována jak pĜítomností defektĤ v tČlese, tak lokálními vlastnostmi struktury vyšetĜovaného materiálu. Výsledky mČĜení ukazují, že metodika NEWS mĤže být vhodná nejen pro detekci vad v konstrukcí (výskyt trhlin, koroze, apod.), ale i pro nedestruktivní hodnocení struktury materiálu. PodČkování Práce vznikla za podpory MPO ýR v projektu þ. FR-TI1/274 a studentské grantové soutČže ýVUT þ. SGS10/302/OHK4/3T/14. Literatura [1]
GRÉGR M., KOCICH R., JÍLEK L.: Struktura hoĜþíkových slitin po válcování a ECAPu. (Kovárenství þ.32, 2008)
[2]
HUBÁýKOVÁ J., ýÍŽEK L., KONEýNÁ R.: Strukturní charakteristiky hoĜþíkové slitiny AZ91. (sb. konf. METAL 2003)
[3]
JANÍK V.ít, et al.: Hodnocení mikrostruktury a vlastností odlitkĤ ze slitiny AZ91HP. (sb konf. METAL 2006)
[4]
DRÁPALA J., et al.: HoĜþík, jeho slitiny a binární systémy hoĜþík - pĜímČs. (HoĜþík a hoĜþíkové slitiny, skriptum VŠB - TU Ostrava, 2004, pp. 14-31, ISBN 80-248-0579-0)
[5]
GUYER, Robert A.; JOHNSON, Paul A. Nonlinear Mesoscopic Elasticity: The Complex Behaviour of Granular Media including Rocks and Soil. (Nonlinear Elasticity and Nondestructive Evaluation and Imaging, Wiley-VCH, Weinheim 2009, pp. 323-367, ISBN 978-3-527-40703-3)
[6]
DELSANTO P.P., ed: Universality of Nonclassical Nonlinearity : Applications to Non-Destructive Evaluations and Ultrasonics. (Springer Science, New York 2006, pp. 49-67, ISBN 0387-33860-8).
DEFEKTOSKOPIE 2010
331
