Ispitivanje tehničkih materijala Piezoelektričnim efektom

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOM

SADRZAJ:

UVOD...............................................................................................................................................2

1. KLASIFIKACIJA METODA ISPITIVANJA .........................................................................3 1.1. Ispitivanja sa razaranjem...........................................................................................................4 1.1.1. Statička ispitivanja.......................................................................................................4 1.1.2 Dinamička metoda.......................................................................................................4

1.2. Ispitivanja bez razaranja.........................................................................................................52. OPŠTE KARAKTERISTIKE METODE ISPITIVANJA BEZ RAZARANJA...................6 2.1. Ispitivanje Radiografijom......................................................................................................6 2.1.1. Ispitivanje Rendgenskim X-zracima ………………………………………………..6 2.1.2 Ispitivanje γ-zracima………………………………………………………………....8 2.2. Ispitivanje elektromagnetnim talasima...................................................................................9 2.3. Ispitivanje penetrantnim metodama......................................................................................10 2.4. Ispitivanje ultrazvučnim talasima.........................................................................................113. OPIS APARATURE I EPRUVETE/UZORKA.....................................................................17 3.1. OPIS APARATURE.............................................................................................................17 3.2. OPIS EPRUVETE................................................................................................................194. POSTUPAK ISPITIVANJA................................................................................................... 20 4.1. Ispitivanje dijagnostičkim instrumentima............................................................................20 4.2. Ispitivanje ultrazvučnom sondom........................................................................................21 4.3. Ispitivanje impulsnim ehom................................................................................................225. REZULTATI MERENJA........................................................................................................24 5.1.A-prikaz ultrazvuka..............................................................................................................24 5.2.B-prikaz ultrazvuka..............................................................................................................26 5.3.Impulsni-eho ....................................................................................................................267. ZAKLJUČAK...........................................................................................................................27

LITERATURA..............................................................................................................................28

PRILOZI.......................................................................................................................................29

1


UVOD:

Sve što nas okružuje je materija, a deo nje pripada materijalima.Materijali su supstance od kojih je nešto izrađeno ili sastavljeno. Postoji više definicija materijala, a jedna od njih je da je to "materija koju ljudska bića upotrebljavaju i/ili prerađuju" Od početka ljudske civilizacije, zajedno sa energijom ljudi su ih koristili za poboljšanje uslova života. Materijali su svuda oko nas pošto je sve izradjeno od nekog materijala. Zbog stalnih istraživanja i razvojem za materijalima sa boljim sposobnostima, vrlo često se stvaraju novi. Postupci i načini dobijanja tehničkih materijala poznati su ljudima od davnina međutim, tek krajem XX. veka se saznalo da je posebnom obradom prilikom izrade moguće uticati na sposobnosti materijala. tako da tokom procesa dobijanja metala možemo manipulisati procesom, pa možemo direktno da utičemo na sposobnost metala ili tehničkih materijala. Postupci koji se koriste za poboljšanje sposobnosti materijala su: kaljenje, kovanje, valjanje itd.

Metali su najvažnija i najbrojnija grupa materijala. Koriste se kao relatvno čisti ili u obliku legura. Za metale uvek naglašavamo da imaju metalna svojstva:

- velika električna i termička provodljivost- metalni sjaj- visoka temperatura topljenja i ključanja- kristalna srtuktura- dobra mehanička svojstva- elastičnost i tvrdoća- sposobnost plastičnog oblikovanja i livenja

2

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOM- neprovidnost

Metali poseduju metalna svojstva zbog metalne veze za koju je karakteristična elektronski oblak.Dele se na obojene (Pb, Al, Zn, Cu, Mg) i crne (Fe, Co, Ni, Mn).

Legure nastaju slivanjem dva ili više elemenata u jedan materijal. Legure koje grade čvrst rastvor delimo na:

- Legure kod koji su legirajući sastojci potpuno rastvoreni u tečnom i u čvrstom stanju- Legure kod kojih su sastojci potpuno rastvoreni u tečnom, a u čvrstom samo u ograničenoj

meriLegure mogu biti sastavljene iz više metala ili metala sa nemetalima. U zavisnosti od broja komponenata legure nazivamo dvojne, trojne ili složene

Vremenom se razvio čitav niz postupaka ispitivanja kojima je cilj da se svojstva metala što bolje upoznaju i tako što racionalnije iskoriste. Sve veći broj raznovrsnih materijala u primeni i sve oštriji zahtevi u pogledu kvaliteta nametnuli su potrebu da se izvrši standardizacija i propišu osnovna svojstva raznih vrsta materijala, a samim tim i standardizacija postupaka ispitivanja. Ispitivanje materijala ne vrši se samo radi utvrđivanja svojstava prilikom proizvodnje, ili prijema, već vrlo često i radi raznih eksperimenata u svrhu utvrđivanja načina upotrebe i odgovornosti koja nastaje usled ne celishodne upotrebe. U razvojnim centrima većih industrijskih preduzeća i naučno-istraživačkim institutima ispitivanja se vrše u cilju što potpunijeg upoznavanja svojstava metala, kao i u cilju poboljšanja tih svojstava kako bi se dobili materijali za nove proizvode, odnosno nova područja primene. Značaj ispitivanja metala za razvoj tehnike i današnja dostignuća na polju gradnje aviona, automobila, železnica, brodova, turbina, mlaznih motora, svemirskih letilica itd. svakako je izvanredno veliki. Danas, praktično, nije moguće zamisliti ni jednu ozbiljnu naučnoistraživačku organizaciju iz oblasti ispitivanja metala i metalnih konstrukcija, preduzeće koje se bavi preradom metala, odnosno izradom metalnih proizvoda bez sopstvene laboratorije sa opremom za različite vrste ispitivanja.

1.KLASIFIKACIJA METODA ISPITIVANJA

Usled otkrića da se svojstva metala mogu menjati određenim postupcima izrade ljudi počinju sa sistematskim ispitivanjem metala, odnosno legura, pa se vremenom razvila nova grana nauke fizička metalurgija. Njen zadatak je da ispituje fizičko-hemijska, posebno strukturna i mehanička svojstva metala i legura, i da unapređuje metode njihovog istraživanja. Prema postavkama fizičke metalurgije, fizičko-hemijska i mehanička svojstva metala, odnosno legura određena su prirodom atoma i njihovim međusobnim rasporedom u prostoru. Međutim, zbog postojanja grešaka u metalnoj strukturi, svojstva metala izračunata na osnovu poznavanja karakteristika atoma i njihovih agregata ne slažu se sa vrednostima dobijenim ne posrednim merenjem. Prema tome, teorijske postavke fizičke metalurgije, uticaji grešaka u metalnoj strukturi, odnosno stvarna svojstva metala mogu se pouzdano proveriti i utvrditi jedino neposrednim ispitivanjima i merenjem.

U zavisnosti da li prilikom ispitivanja dolazi do razaranja metala ili ne, razlikujemo dve osnovne grupe ispitivanja:

Ispitivanja sa razaranjem i Ispitivanja bez razaranja

Kod ispitivanja sa razaranjem možemo izdvojiti dve vrste koje se razlikuju po načinu delovanja sila:

Statička ispitivanja Dinamička ispitivanja

3


1.1 .ISPITIVANJA SA RAZARANJEM

Ispitivanja materijala sa razaranjem sprovode se uglavnom na uzorcima-epruvetama pri čemu se one razaraju i neupotrebljive su za ponovna ispitivanja. Ako još dodamo i činjenicu da je priprema epruveta kod izvesnijih metoda ispitivanja povezana sa značajnim troškovima, dobijamo potpuniju sliku o manama ove metode. Moramo dodati i to da se na ovaj način ispituje samo izvesna količina materijala dok ostala količina ostaje neispitana, pa se osobine o celoj količini donose na osnovu uzorka.

1.1.1Statička ispitivanja

Pod statičkim delovanjem sila podrazumevamo ona ispitivanja kod kojih sile deluju mirno na ispitivani predmet, tako da napon postepeno raste. Kod dinamičkog ispitivanja sile deluju udarom ili učestano menja po vremenu, naravno uz mogućnost njihovim kombinovanjem. Ova mehanička ispitivanja se vrše pri sobnoj temperaturi, ali isto tako pri veoma niskim temperaturama i veoma povišenim temperaturama. Sva ova ispitivanja mogu se vršiti pri statičkom ili dinamičkom dejstvu sile tako da je moguće ostvariti dosta veliki broj raznih kombinacija.. Posebnu grupu čine tzv. tehnološka ispitivanja. Za razliku od mehaničkih ispitivanja pri kojima se određuju svojstva otpornosti, kod tehnoloških ispitivanja vrednosti dejstvujućih sila nisu od interesa već se isključivo posmatra način deformisanja, odnosno oštećenja usled dejstva spoljnih sila.

4

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOM Ispitivanje na zatezanje Ispitivanje na pritisak Ispitivanje na smicanje Ispitivanje na savijanje Ispitivanje na zamaranje materijala

Pod tvrdoćom se uopšteno podrazumeva otpor kojim se neko telo suprodstavlja prodiranju drugog tela. Da bi se rezultati ispitivanja mogli međusobno upoređivati potrebno je da oblik i veličina utiskivača, zatim sila utiskivanja, kao i svi ostali uslovi ispitivanja, budu tačno definisani. U toku razvijanja tehnike ispitivanja predlagani su različiti postupci, ali samo nekoliko njih je našlo primenu u praksi .U ovu grupu statičkih ispitivanja tehničkih materijala spadaju i najvažnije metode ispitivanja tvrdoće, a to su sledeće metode ispitivanja tvrdoće:

Ispitivanje tvrdoće po Brinelu Ispitivanje tvrdoće po Rokvelu Ispitivanje tvrdoće po Vikersu

1.1.2 Dinamička metoda

Pod dinamičim dejstvom sila za ispitivanje materijala, sila naglo raste u jedinici vremena i deluje na ispitivani materijal, mana ovih metoda da su relativno neprecizne u odnosu na statičke metode. Razlikujemo sledeće metode isitivanja :

Poldijeva metoda ispitivanja tvrdoće Šorova metoda ispitivanja tvrdoće Duroskopska metoda

Jedan od najvažnijih nedostataka ispitivanja sa razaranjem je oštećenje uzorka koji praktično postaje neupotrebljiv. Drugi je da rezultati ispitivanja ne daju vernu sliku o materijalu ugrađenom u konstrukciju, već samo o uzorku. Mora se posedovati veoma skupa oprema za ispitivanje i uzorci se moraju fino obraditi što oduzima puno vremena i novca.

1.2 ISPITIVANJA BEZ RAZARANJA

Ispitivanje materijala bez razaranja upotrebljava se najviše za gotove delove ili konstrukcije i svrha mu je da prvenstveno izvrši kontrolu proizvoda. Uglavnom se ovim metodama izvodi ispitivanje homogenosti materijala. Otkrivaju se nečistoće u materijalu kao što su: plinski mehurići, nečistoće (šljaka), pukotine, zarezi, prekide u varovima itd. Ove greške u materijalu, koje nisu vidljive golim okom, mogu znatno smanjiti upotrebnu funkciju dela ili konstrukcije. Ispitivanja bez razaranja nam daju podatke o fizikalnim svojstvima materijala. Pomoću ovih metoda mi možemo pronaći diskontinuitet, na primer, u odlivku. Ozbiljan nedostatak ovih metoda je da nam one ne daju brojčanu vrednost mehaničkih oslabljenja prouzrokovanih greškama u materijalu.

Metode bez razaranja se koriste za ispitivanje oštećenja, koja za posledicu mogu dovesti do loma materijala i tako naneti velike materijalne štete i ljudske žrtve. Ispitivanja bez razaranja se koriste kod:

materijala pre početka obrade, poluproizvoda, kako bi se proverio kvalitet i postupak obrade gotovih mašinskih delova ili konstrukcija, kako bi se utvrdio željeni kvalitet

5

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOM objekta ili konstrukcija u eksploataciji

Cilj ispitivanja materijala bez razaranja je da se u materijalu utvrdi greška i u unutrašnjosti (nehomogenost unutar materijala, gasni mehurovi, troska, pukotine, naprsline i dr.). Ovim ispitivanjem mogu se uočiti greške, odrediti njihov položaj, veličina i priroda, ispitivanjem bez razaranja ne mogu se odrediti mehaničke osobine materijala. Defektoskopske metode možemo podeliti na ispitivanje:

Radiografija ( X, γ-zracima)

Elektromagnetnim talasima

Penetrantima (kapilarnim) metodama

Ultrazvučnim talasima ( Piezo-električnim efektom dobijamo ultra zvučne talase)

2. OPŠTE KARAKTERISTIKE ISPITIVANJA BEZ RAZARANJA

Jedan od najvažnijih nedostataka metoda ispitivanja tehničkih materijala sa razaranjem uzorka jeste to da materijal posle ispitivanja postane neupotrebljiv to jest dolazi do njenog potpunog razaranja. Zatim drugi nedostatak ove metode ispitivanja je da ne daje vernu sliku o materijalu koji je ugrađen u neku konstrukciju, nego samo daje podatke o uzorku. Jedna od najbitnijih nedostataka ispitivanja sa razaranjem je, da je potrebno posedovati veoma skupa oprema za ispitivanje, a uzorci to jest epruvete moraju se precizno izraditi po datim datim dimenzijama i oblicima, koji su dati određenim standardima.

Ispitivanja bez razaranja našla su veliku primenu u ispitivanju tehničkih materijala i ujedno i konstrukcija . Podešna su zbog toga što prilikom ispitivanja nekog materijala ne dolazi do razaranja ispitivanog materijala. Veliku prednost im daje na odnosu na ispitivanja sa razaranjem da su brza i imaju mogućnost ispitivanja ugrađenih delova već u neku mašinu ili konstrukciju, jedna od najbitnijih osobina im je mogućnost ispitivanja na terenu. Pomoću metoda ispitivanja bez razaranja može da se dobije slika o homogenosti jednog ispitivanog materijala, to jest greške unutar ispitivanog materijala, ( pore,mikropukotine,pukotina,gasnih mehura,troske,nejednakog mešanja materijala,unutrašnjih sila,zarezi,korodirana mesta,itd…)

2.1 ISPITIVANJE RADIOGRAFIJOM ( X, γ-zracima)

6

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMKod radiografskih ispitivanja upotrebljavaju se rendgenska ili gama zračenja za otkrivanje

rupa, pora, pukotina i drugih tehnoloških grešaka u metalima kao što su liveno željezo, čelik, bakarne i aluminijske legure i druge. Radiografska ispitivanja su standardizovana.

2.1.1 Ispitivanje Rendgenskim X-zracima

Rendgenski ili X-zraci su jedan od vidova elektromagnetnih talasa, vrlo male talasne dužine, a

veoma velike učestanosti. Rendgenski zraci se dobijaju u rendgenskim cijevima. Ispitivanje zračenjem vrši se pomoću elektromagnetnih talasa, koji imaju malu talasnu dužinu a veliku učestalost. Ovi talasi su sposobni da prodiru kroz čvrste materijale, deluju na film, joniziraju neke gasove i izazivaju fluorescenciju nekih materijala. Na pravac kretanja ovih zraka nemaju uticaja ni magnetna ni električna polja, što znači da oni nisu nosioci električnog naboja. Najčešće se primjenjuju X-zraci ili rendgen zraci i γ- zraci. Ovi zraci imaju sledeće karakteristike:

Energija zraka se smanjuje pri prolazu kroz materijal, (što je veća gustina materije time se više smanjuje energija),

Sposobni su izazivati fotohemijske reakcije, što omogućava da se registruje greška unutar materijala,

Sposobni su da izazivaju fluorescenciju nekih materijala, npr., ZnS, CaWO4,CdS i druge,

ovo svojstvo omogućava vizuelno posmatranje kvaliteta materijala na ekranu,

Sposobni su da joniziraju gasove i imaju štetno dejstvo na žive organizme.

Pošto ovi znaci imaju štetno dejstvo na žive organizme, moraju se preduzeti posebne mere zaštite na radu sa X-zracima i γ-zracima. Jedan od veoma efikasnih načina zaštite od zračenja je udaljavanje od izvora ovih zraka, pošto intenzitet zračenja opada sa kvadratom rastojanja. Da bi smo otkrili prisustvo ovog zračenja, koristimo se raznim detektorima zračenja, kao npr. Gajger-Milerovim brojačem. Za otkrivanje i registraciju grešaka u materijalima pomoću X –zraka i γ-zraka koristimo se sledećim metodama: fotografske metode, fluoroscentne metode i metode jonizacije.

Najčešće se koristimo fotografskim metodama. Specijalni film na kome je emulzija nanesena sa obe strane, postavlja se sa jedne strane predmeta, a sa druge se vrši prozračavanje. Ako je ispitivani materijal homogen, tj. bez greške, tada će izlazni snop zraka imati isti intenzitet, pa će i osvetljenje filma biti ravnomerno. Pri prolazu ovih zraka kroz nehomogeni materijal dolazi do različite apsorpcije. Zahvaljujući različitoj apsorpciji imamo različito ozračenje filma postavljenog iza ispitivanog materijala. Zavisno od prirode grešaka (gasni mehur, troska, pukotina itd.), tj. od njene gustine imaćemo veće ili manje zacrnjenje filma. Što je gustina materijala manja, to će više zraka proći kroz predmet i imaćemo veće zacrnjenje filma. Da bi povećali intenzitet zračenja na film, koristimo se folijama za pojačanje. Mogu biti:

Fluorescentne ili slane folije

Olovne folije

7

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMKod fluorescentnih ili slanih folija, na tankoj podlozi nanesene su fluorescentne materije, koje

pod dejstvom zračenja počinju emitovanje svetlosti. Ovo dopunsko zračenje deluje na film i na taj način dobijamo sliku boljeg kvaliteta. Olovne folije imaju slabiji efekat. Uzimaju se olovne folije debljine 0,1 do 0,25 mm. Pod dejstvom X-i γ-zraka na olovne folije, dolazi do emitovanja elektrona koji dejstvuju na film.

Fluorescentnom metodom se koristimo za neposredno posmatranje predmeta na fluorescentnom ekranu. X-zraci, posle prolaza kroz ispitivani materijal, padaju na ekran sa kojeg se slika reflektuje na ogledalo za posmatranje. Metod jonizacije zasnovan je na osobini X-zraka da izazivaju jonizaciju gasova. Prolaskom X-zraka kroz gas dolazi do delimične apsorpcije i pojave foto-elektrona koji se mogu registrovati u jonizacionim komorama. Ovom metodom moguće je posmatrati manje površine predmeta a postižu se veoma dobri rezultati. Ispitivanje X-zracima naziva se rendegenografija, a ispitivanje γ-zracima, gamagrafija.Pod intezitetom zračenja X-zraka podrazumijevamo količinu energije koja u jednoj sekundi prođe kroz površinu od 1 cm2. S obzirom da rendgenski zraci deluju štetno na žive organizme i da bi se izbegla sekundarna zračenja, iza filma se postavlja olovna ploča koja apsorbuje X-zrake

Slika 1. Princip rendgenskog ispitivanja1

2.1.2 Ispitivanje γ-zracima

Ova ispitivanja imaju za cilj otkrivanje grešaka u unutrašnjosti predmeta, kao što su: odlivci, otkivci, zavareni spojevi, rezervoari itd. Princip je sličan kao i pri ispitivanju s rendgen zracima. Ispitivanje se sastoji od ozračavanja predmeta iza kojeg se postavlja film, na kojem dobijamo sliku unutrašnjosti predmeta.Gama zraci nastaju spontanim raspadanjem prirodnih radioaktivnih elemenata ili veštačkih radioaktivnih izotopa. Gama zračenje se ne može regulisati i ono je konstantno za određeni period vremena koji je različit za različite elemente. Vremenski interval u kome se raspada polovina atoma naziva se periodom poluraspada. Period poluraspada za razne radioaktivne elemente se menja u veoma širokim granicama. Tako, npr. za radijum ( ) iznosi 1590 godina, za torijum ( ) je

1,39⋅1010 godina, za iridijum ( ) svega 74 dana.Zahvaljujući maloj talasnoj dužini a veoma velikoj učestalosti (0,25 do 0,60) ⋅ 1010 Hz, ovi talasi imaju svojstvo da prodiru kroz čvrste materije u većoj meri nego rendgenski zraci. Na slici dole prikazane su šeme prozračavanja pomoću gama zraka.

1Ronai K.B: Osobine i ispitivanje materijala, Viša tehnička škola Novi Sad, Novi Sad 1983

8


Slika 2. Šema ispitivanja gama zracima2

Na slici je prikazana šema ispitivanja pomoću gama zraka. Radioaktivni elemenat (2) smešten je u komoru (1) i kroz koničan otvor emituje gama zrake, koji padaju na površinu predmeta (3). Prolazeći kroz predmet zraci prolaze i kroz film. Zavisno od gustine predmeta imaćemo veće ili manje zacrnjenje slike. Iza filma postavljena je olovna ploča, koja apsorbuje zrake koji prolaze kroz predmet i kroz film, da bi se izbegla sekundarna zračenja. Na slici dole prikazane su sheme prozračavanja pomoću gama zraka.

2.2 ISPITIVANJE ELEKTROMAGNETNIM TALASIMA

Magnetska ispitivanja otkrivaju površinske i podpovršinske tehnološke greške (pore, pukotine, strana tela i dr.) u feromagnetskim materijalima. Metoda se može upotrebiti za merenje: debljine slojeva, varijacija u strukturi, veličine zrna, tvrdoće i dr. Princip metode sastoji se u tome da kroz predmet ispitivanja moraju proći magnetske silnice, koje će se deformirati oko greške u materijalu. To se pokazuje na nekoliko načina:

Pomoću razlike u naponu koji se šalje u pojačalo i signal se prikazuje na galvanometru. Ovaj princip se primjenjuje kod ispitivanja varova, čeličnih užadi, cevi i sl.

Predmet ispitivanja se premazuje retkim uljem s željeznim prahom (ili uranjanjem u kupku s takvim uljem) te se magnetizira. Željezna prašina jače se skuplja na mjestima gdje se nalazi greška.

Pri magnetnim ispitivanjima, predmeti se prvo namagnetišu (a kod predmeta jedne dimenzije samo jedan deo). Namagnetisavanje predmeta može se izvoditi pre ili u toku ispitivanja. Pre ispitivanja magnetišu se oni predmeti kod kojih je zaostali magnetizam dovoljan da omogući ispitivanje. U toku ispitivanja magnetišu se predmeti kod kojih je zaostali magnetizam nedovoljan da

2 Ronai K.B: Osobine i ispitivanje materijala, Viša tehnička škola Novi Sad, Novi Sad 1983

9

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMse izvede ispitivanje i predmeti velikih dimenzija i složenog oblika. Magnetna ispitivanja zasnovana su na rasipanju magnetnog polja iznad defektnog mesta u predmetu. U homogenom predmetu magnetne silnice su prave linije. Kad silnice naiđu na neki defekt savijaju se oko njega i obrazuju magnetno polje rasipanja. Veličina rasipanja i skretanja silnica zavisi od dimenzija i dubine efekta, kao i od pravca prostiranja defekta u odnosu na magnetne silnice. Najveće odstupanje nastaje kad greška stoji normalno na pravac magnetnih silnica. Da bi se pravilno odredila veličina greške, u praksi se ispitivanje izvodi u dva međusobno normalna pravca. S obzirom da su magnetne silnice nevidljive, a da bi greška bila uočljiva, površina predmeta se posipa feromagnetnim prahom pomješanim sa transformatorskim uljem ili petrolejem. Magnetni prah je crni magnetit Fe2O3. U izvjesnim slučajevima uzimaju se obojene suspenzije i fluoroscentne magnetne suspenzije, čije svetleće čestice olakšavaju kontrolu na teško pristupačnim mestima. Feromagnetne čestice, kada se nađu u magnetnim polju, orijentišu se u pravcu silnica. Tamo gde magnetne silnice skreću, dolazi do njenog grupisanja i skupljanja feromagnetnog praha. Na taj način mesto greške postaje uočljivo. Predmeti koji se ponašaju kao meki magneti ispituju se u polju jakog elektromagneta.Aparati kojima se vrše magnetna ispitivanja nazivaju se ferofluks ili magnetofluks aparati.

Posle završenog ispitivanja namagnetisani delovi se moraju razmagnetisati. Razmagnetisanje predmeta vrši se u posebnim aparatima ili je u ferofluks aparatu ugrađen poseban uređaj za demagnetizaciju.

2.3 ISPITIVANJE PENETRANTIM METODAMA

Penetrantne (kapilarne) metode primenjuju se pri određivanju površinskih grešaka, kao što su naprsline, zarezi, pore i slično. Ove metode su zasnovane na primeni kapilarnih sila. Mogu se konstatovati greške čija je širina veća od 0,001 mm i dublje od 0,01 mm. Najčešća su sledeća ispitivanja:

ispitivanje obojenim tečnostima. ispitivanje petrolejom ili uljem

ispitivanje fluorescentnim tečnostima

ispitivanje petrolejom ili uljem

Pre ispitivanja predmeti se dobro očiste od svih nečistoća. Kod ispitivanja petrolejom ili uljem predmeti se urone u vrući petrolej ili ulje i drže izvesno vreme. Pod uticajem kapilarnih sila dolazi do prodiranja tečnosti u sitne pore i pukotine. Posle brisanja viška tečnosti sa površine, a hlađenjem dolazi do skupljanja pukotine i istiskivanja ulja na površinu. Na površini se pojavljuju mrlje i mesto gde se nalazi greška postaje uočljivo.

10

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMFluorescentna ispitivanja takođe su zasnovana na primeni kapilarnih sila. Za ispitivanje se

uzimaju fluorescentne tečnosti. To su takve tečnosti koje kad se osvetle ultra-ljubičastom svetlošću imaju svojstvo emitovanja sopstvene svetlosti. Ova sposobnost materija naziva se fluorescencija. Svojstva fluorescencije imaju mnoga mineralna ulja kao: transfomatorsko, avionsko itd.

Predmeti koji se ispituju prethodno se dobro očiste od svih nečistoća, a zatim urone u posudu sa fluorescentnom tečnošću i drže nekoliko minuta ili se tečnost nanosi pomoću četke na površinu predmeta. U novije vreme se radi prskanjem pod pritiskom.

Posle toga predmeti se peru mlazom hladne vode, a zatim suše u struji toplog vazduha. Osušene površine se posipaju prahom koji ima veliku moć apsorpcije, kao, npr. magnezijum oksid, silicijum oksid, prah od krede, itd. Prašak izvlači na površinu fluorescentnu tečnost, a delimično prodire i u pukotine. Suvi prašak se sa površine predmeta uklanja strujom vazduha ili lakim udarcima po predmetu, tako da se zadržava samo na ovlaženim mestima. Postupak fluorescentnog ispitivanja prikazan je na (slici 3) dole.

Slika 3. Fluorescentno ispitivanje3

Predmeti se unose u zamračenu prostoriju i osvetljavaju ultra-ljubičastom svetlošću. Mesta na kojima se zadržala fluorescentna tečnost počinju da svetle. Prema veličini greške imamo jaču ili slabiju fluorescentnu svetlost. Pri ispitivanju zavarenih spojeva od kojih se zahteva nepropustivost za tečnosti i gasove koristi se fluorescentni metod. Fluorescentna tečnost se nanosi sa jedne strane a osvetljavanje sa druge. Ako je šav porozan, tada će fluorescentna tečnost proći kroz pore, a pri osvetljavanju sa ultra-ljubičastom svetlošću dolazi do fluorescencije.Najveću primenu našlo je ispitivanje obojenim tečnostima. Princip rada je potpuno isti kao i kod prethodnih metoda. Prednost ove metode je što se greška može otkriti i pri dnevnom osvetljenju.

2.4 ISPITIVANJE ULTRAZVUČNIM TALASIMA (Piezoelektrični pretvarači )

Piezoelektrični efekat je pojava stvaranja električnog napona na krajevima piezoelektričnog kristala pri mehaničkom pritisku na njega. Suprotan slučaj je kad se na kristal dovede vanjski napon - tada dolazi do njegove mehaničke deformacije.Godine 1880. su Jacque i Pierr Currie otkrili piezoelektrični efekat, to jest, pojavu da neki kristali (kvarc, tumalin, barijum titanat) pod dejstvom mehaničkih (npr. zvučnih) oscilacija, stvaraju električni napon na svojim polovima. Francuski naučnik Lanževenu (Langevinu) 1918 g. je primenio obrnuti piezoelektični efekat koji se ogleda u osobini piezoelektičnih kristala da u električnom polju podležu deformaciji, a čiji su proizvod mehaničke oscilacije, to jest, pretvaranje električnih oscilacija u ultrazvučne talase.

Ultrazvuk dobijamo iz ultrazvučnog generatora, a to je ustvari pretvarač energije napajanja u ultrazvučnu energiju. Postoje dve vrste ultrazvučnih generatora i to su mehanički i elektronski

Ultrazvuk nastaje kao rezultat piezoelktričnog efekta na učestanostima preko 20kHz. Kao ultrazvučni generator koriste se obično kvarcne pločice ili pločice od nekog drugog kristala sa istim svojstvima (na primer barijum-titanat (BaTi2O3) ili silicijum dioksid (SiO2)) duguljatog odnosno oblika paralelopipeda ili okruglog odnosno oblika valjka male visine. Dve stranice tog kristala su

3 Slika preuzeta sa http://www.mfkv.kg.ac.rs

11

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMobložene elektrodama od srebra, hroma ili zlata. Na taj način je dobijen pretvarač koji ima oblik pločastog kondezatora.

Na slici 4. su prikazane dve takve pločice debljine d i dužine l kao i simbol:

Slika 4.4 Oblici Piezoelektričnih pretvarača

Pritisak na pločicu podstiče njeno sabijanje i istezanje. Sabijanje dovodi do polarizacije, a istezanje rezultuje polarizacijom u suprotnom smeru. Ove pojave su rezultat deformacije kristalne rešetke i veze između atoma u ovakvoj rešetci

4 Slike 4,5,6,7,8,9,10,11,preuzete iz „Medicinski elektronski instrumenti“ – Dr. Arsen Šurlan

12


Slika 5. Delovanje pritiska na kristalnu strukturu

Na gornjoj i donjoj strani kristala nalaze se metalizirane pločice na kojima se skuplja naelektrisanje. Te dve pločice sa kristalom kao dijelektrikom između pločica relativne dijalektrične konstante ΄ imaju kapacitet:

C = ··S/dgde su:

i΄dijalektrične konstanteS – površina pločiced – razmak između pločica

Uz dovedenu količinu naelektrisanja na pločice uspostavlja se napon U između njih prema izrazu:q = C · U

Ako je ovaj pretvarač priključen na naponski izvor doći će do inverzne pojave, tj. između elektroda se stvara električno polje koje deluje na vezana naelektrisanja u kristalu i izaziva mehaničke deformacije, odnosno skraćenje ili produženje pločice u pravcu električnog polja. Ako je priključen napon promenljivog smera, površina kristala će oscilovati sa frekvencijom koja zavisi od učestanosti promenljivog napona.

13


slika 7. Ekvivalentna šema

Na slici 7. je prikazana ekvivalentna šema kristala na visokim učestanostima. Električni elementi L, C i R prestavljaju ekvivalentne mehaničke veličine. L ukazuje na inercijalna svojstva (masu), C izražava elastične osobine kvarca, R toplotne gubitke pri oscilacijama, a C0 prestavlja kapacitet metalnih pločica kojima se kvarc oblaže. Ako se ovakav pretvarač pobuđuje energijom iz visokofrekventnog oscilatora, pretvarač će oscilovati sopstvenom učestanošću f , a amplituda ovih oscilacija će biti veća ukoliko je učestanost pobude bliža rezonantnoj učestanosti piezoelektrične pločice. U slušaju rezonancije, pločica kristala se ponaša kao kondezator sa gubicima.

Slika 7. Oscilator sa piezoelektričnom pločicom

Kada kvarcna pločica zrači slobodno sa obe strane, tako da su obe strane pločice u dodiru sa sredinom, onda akustični otpor zračenja iznosi:

Dok je akustučna snaga kvarcne pločice:

Intezitet emitovanog ultrazvuka sa kojim se u tehnici najviše susrećemo je:

Ako ultrazvuk emitujemo samo sa jedne strane pločice, onda njegov intezitet iznosi:

14


Rq []- akustični otpor zračenja S [m²] - poprečni presek pločiceU [V] – napon Pakust [W] - akustična snagaI [W/cm²] - intezitet ultrazvuka [g/cm²] - gustina sredineC0 [F] - kapacitet metalnih pločica kojima se kvarc oblažed [cm] - debljina pločice

Kristal kvarca (kremena) ima mali piezoelektrični modul kao i relativno malu dijalektričnu konstantu εr, ali se ističe velikom stabilnošću i može raditi na visokim temperaturama (do 550˚C) i relativnoj vlažnosti (do 100%). U ultrazvučnoj tehnici upotrebljavaju se pretežno sintetički, keramički i piezoelektrični materijali, kao što su barijum-titanat (BaTi2O3), olovo-cirkonat (PbZrO3),

olovo-titanat (PbTiO3), kao i olovo-metaniobat koji imaju znatno više izražena piezoelektrična svojstva. Sintetički keramički materijali manje su stabilni i imaju znatno niži Q-faktor.

Piezoelektričnimaterijal

Brzina zvuka[m/s]

΄sstatička

MehaničkiQm

g·10ˉ³V [m/N]

Kvarc 5470 4,5 > 58Barijum-titanat 4200 4600 1500 400 175

Olovni cirkonat-titanat 3200 3500 2300 350 ?Segnetova so 3100 350 - 90

tabela 1. Karakteristike piezoelektričnih materijala

Treba naglasiti da se dinamička relativna dijalektrična konstanta d΄ razlikuje od statičke s΄ koja se javlja kada pizoelektrični pretvarač ne osciluje.

Za razliku od kvarca, petvarač od barijum-titanata ima malu otpornost zračenja, tj. ima veliku dijalektričnu konstantu i zahteva manji pobudni napon. Na dijagramima na slici 8. prikazana je zavisnost zračenja kvarca i za barijum-titanata.

15


slika 8. Zavisnost napona od frekvencije kod kvarca i barijum-titanata

Intezitet zračenja koje se može postići zavisi uglavnom od hlađenja pretvarača. Za barijum-titanat kritična Kirijeva temperatura je oko 120˚C. Ako se ova temperatura prekorači, neophodno je vršiti ponovnu polarizaciju kristala. Hlađenje pretvarača je neophodno vrširi već za intezitete veće od 3W/cm².

Rezonantna frekvencija se kod kvarca i barijum-titanata izračunava po debljini i dužini pločice i ona se dovodi u vezu sa Doplerovim efektom.

Pri prolazu ultrazvuka iz jedne akustične sredine u drugu dolazi do delimičnog odbijanja od granica tih sredina, a delimičnog prolaza sa izvesnim prelamanjem. Ova osobina odbijanja prelamanja ultrazvučnih talasa pri prolazu kroz dvie različite sredine služi za utvrđivanje grešaka unutar materijala i gotovih proizvoda.

Ultrazvučni talasi koji padaju normalno na jednu površinu odbijaju se u suprotnom smeru (nazad), tj. ugao odbijanja jednak je nuli. Ako ultrazvučni talasi padaju pod nekim uglom na površinu, tada je odbojni ugao jednak upadnom. Znači ultrazvučni talasi se ponašaju isto kao i svetlosni zraci, samo što je moć prodiranja kroz čvrste materijale veća.

Ultrazvuk se koristi za ispitivanje grešaka u čvrstim materijalima (najbolji rezultati se postižu kod čelika i aluminija).

Defektoskopska ispitivanja pomoću ultrazvuka mogu se obavljati na tri načina, i to:

metodom prolaza, metodom odbijanja (eho), metodom rezonance.

Generator impulsa emituje ultrazvučne talase koji se preko predajne sonde prenose kroz materijal. Ultrazvučni talasi, prolazeći kroz materijal, nailaze na različite prepreke i posle odbijanja dolaze u prijemnu sondu. Iz prijemne sonde ultrazvučni talasi dolaze u pojačivača, a odatle u osciloskopski indikator gde se registruju na ekranu. Predajna sonda daje uzak snop ultrazvučnih

talasa koji nailazeći na različite gustine imaju različito odbijanje. Tako talas 1, koji se odbija od površine predmeta na ulazu u predmet, registruje se na mjestu na ekranu, a zrak koji se odbija na

16


mestu izlaza iz materijala, označen je na ekranu sa 3. Svi ostali zraci koji se odbijaju unutar materijala biće registrovani u intervalu od 1 do 3. Talas 2 koji na prolazu kroz materijal nailazi na grešku. Odbija se i dolazi u prijemnu sondu prije talasa 3 koji se odbija od donje površine predmeta

Kroz homogeni materijal ultrazvučni talasi prolaze bez smetnji, dok kod materijala sa greškom dolazi do odbijanja ultrazvučnih talasa i smanjenja intenziteta.

Slika 9.Očitavanje dubine greške

Slika 10.Šema ispitivanja prolaznom metodom: 1-predajna sonda, 2-predmet, 3-prijemna sonda, 4-greška.

Pomoću ultrazvuka nije moguće tačno odrediti prirodu greške (troska, pukotina, gasni mehur i dr.)

3. OPIS APARATURE I EPRUVETE/UZORKA

17


3.1 OPIS APARATURE

Ispitivanja bez razaranja našla su veliku primenu u ispitivanju tehničkih materijala i ujedno i konstrukcija . Podešna su zbog toga što prilikom ispitivanja nekog materijala ne dolazi do razaranja ispitivanog materijala. Veliku prednost im daje na odnosu na ispitivanja sa razaranjem da su brza i imaju mogućnost ispitivanja ugrađenih delova već u neku mašinu ili konstrukciju, jedna od najbitnijih osobina im je mogućnost ispitivanja na terenu. Pomoću metoda ispitivanja bez razaranja može da se dobije slika o homogenosti jednog ispitivanog materijala, to jest greške unutar ispitivanog materijala, (pore, mikropukotine, pukotina, gasnih mehura, troske, nejednakog mešanja materijala, unutrašnjih sila,zarezi,korodirana mesta,itd…)

Kod ultrazvučnih defektoskopa najviše se koristi za dobijanje ultrazvučnih talasa piezoelektrični efekat. Pri tome se korišćenjem piezokristala vrši pretvaranje električne energije u mehaničku učestalost od 500-1000 MHz. Za ispitivanje materijala koriste se uglavnom frekvence 1-6 MHz. Za stvaranje ultrazvučnih talasa koriste se ultrazvučne glave u kojima piezokristal usmerava talase u ispitivani materijal. Prema obliku ispitivanog materijala one su oblikovane, tako da stvaraju podužne, poprečne i površinske talase.

Da bi se ultrazvučna tehnika jednostavnije primenjivala u praksi, konstruisane su razne vrste pretvarača – sondi, koje su zapravo nosači i mehanička zaštita piezoelektrične pločice. Na slici 11. je prikazan šematski presek jedne takve sonde.

slika 11. Ultrazvučna sonda

U metalnom ili plastičnom kućištu na prednjoj strani montirana je piezoelektrična pločica koja je sačinjena obično od sintetičke keramike (barijum-titanat). Iza pločice je prigušivač od sintetičke smole pomešan sa metalnim i gumenim prahom, koji služi da omogući slobodno širenje ultrazvuka samo sa prednje strane, a sve to je obavijeno zvučnom i električnom izolacijom. Akustična izolacija apsorguje zvuke i sprečava ˝zvonjenje˝ u samom pretvaraču. ˝Zvonjenje˝ pretvarača je pojava rezonantnog oscilovanja posle pojave pobudnog impulsa. Zvonjenje pretvarača je nepoželjno pri primeni u impulsnom režimu. Zbog toga se za rad u impulsnom režimu koriste visoko apsogujući materijali. Elektrode se nalaze sa obe strane piezoelektrične pločice i spojene su sa dovodnim priključcima. Ovaj pretvarač može da se pobuđuje i kratkim električnim impulsima usled čega će emitovati ultrazvučne impulse čija je učestanost jednaka rezonantnoj učestanosti

18

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMpločice. Kontakt same sonde i materijala treba da bude što bolji. Treba da bude uklonjen vazduh da bi se smanjili efekti prigušenja.

Oblik sonde zavisi od primene. Za površinske primene koristimo relativno velike pravougaone sonde. Ukoliko je potrebno meriti na mestima specifičnog oblika, koriste se sonde posebnih oblika (intervaginalna sonda i slično). Poslednjih godina se sve više koriste sonde sa većim brojem kristala koji su poređani u nizu jedan pored drugog. Ovakve sonde daju veći broj tačaka u odnosu na primenu samo jednog kristala. Za emitovanje ultrazvučnih talasa može da se koristi jedan piezoelektrični pretvarač, dok se za prijem koristi drugi. Kod mnogih uređaja koristi se samo jedan piezoelektrični pretvarač za emitovanje i prijem. Registrovani reflektovani talas se zatim prikazuje na osciloskopu ili monitoru.

Slika12:Uređaj za ultrazvučnu kontrolu (levo) i određivanje grešaka ultrazvučnom metodom(desno)5

Sondu primenjujemo tako što je prislonimo na objekat, koji ne mora da bude homogen, i impulsno je pobuđujemo. Impuls se odbija od same površine na koju je prislonjena sonda, prodire u objekat, a zatim se odbija i od svih površina na kojima postoji nehomogenost, odnosno promena gustine.Registrovani talasi dolaze sa vremenskim kašnjenjem koje zavisi od rastojanja izvora od detektovane površine. Reflektovani talas pobuđuje sondu (mehanički) koja zbog toga na svojim krajevima generiše električni napon koji registrujemo.

5 www.google.com 10.05.2009

19

http://www.google.com/

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOM3.2. OPIS EPRUVETE

Epruveta za normalna ispitivanja propisuje se u odgovarajućim standardima u zavisnosti od svrhe i načina ispitivanja. Za posebna ispitivanja se koriste specijalni oblici epruveta, kao što su epruvete sa diskontinuitetima razlih oblika: prelazna zaobljenja, provrti, žljebovi i sl. Poseban vid diskontinueta oblika i diskontinuiteta materijala predstavljaju zavareni spojevi. U ovim slučajevima oblik epruvete treba da bude sličan obliku odgovarajućeg konstrukcionog dela. Umesto epruvete mogu se upotrebiti i sami konstrukcioni delovi.

Postupak obrade epruveta ne sme da izmeni strukturu i osobine materijala. Sečenje plamenom i slični postopci obrade, vezani sa jakim zagrevanjem, ne smeju se primenjivati. Obrada epruvete treba da bude pažljiva i u skladu sa osobinama odgovarajućeg materijala. Strugotina koja se skida pri obradi struganjem ili glodanjem treba da bude male debljine, ukoliko manje ukoliko se dimenzije preseka uzorka približavaju zavšnoj meri epruvete da bi se uticaj obrade na rezultate ispitivanja(površinska ili dubinska napetost, otvrđavanje površine i sl.) sveli na najmanju meru. Naročitu pažnju treba obratiti kvalitetu hrapavosti površina epruvete. Epruvete od tvrdih metala moraju biti brušene, eventualno i polirane. Pri brušenju epruvete, treba hladiti pogodnim sredstvom da bi se izbeglo preterano zagrevanje. Obrađene epruvete treba posle adekvatne obrade, zaštititi od korozije. Broj epruvete treba za jedno ispitivanje može biti vrlo različit, u zavisnosti podataka koji se traži. Ispitivanja izvedena na malom broju epruveta mogu dati rezultate koji nisu tipični.Učvršćivanje epruvete u čeljusti mašine za ispitivanje treba da bude izvedeno pažljivo, tako da epruveta u toku ispitivanja ne bi bila izložena dopunskim opterećejima ili vibracijama( ekscentričnost, neaksialnost i sl.). Svojstva otpornosti i deformacija koja se ispituju metodama za ispitivanje tehničkih materijala predstavlja će karakteristične vrednosti za određeni ispitivani materijal ako se tokom niza ispitivanja uvek dobiju isti rezultati, bez obzira na mesto ispitivanja, ispitivača, oblika i veličine epruvete. To će biti moguće ako su ispunjeni određeni uslovi koji se toga propisuju standardima.

Prilikom ispitivanja ultrazvukom, nije potrebno primenjivati epruvete koje su određene standardima, sto im daju prednost u odnosu na ispitivanja sa razaranjem materijala. Mogu se direktno ispitivati već gotovi mašinski elementi (zubčanici, lanci, glave motora, razni zavareni spojevi, čak i mikročipovi). Jer se tokom isiptivanja istražuju uglavnom greške nastale unutar materijala( kao što su : pukotine, gasovi koji su ostali unutar materijala nastali livenjem, isitivanje zavarenih spojeva. Itd). Što im daje ogromnu prednost u odnosu na druge metode ispitivanja tehničkih materijala, tako da vreme ispitivanja je skraćeno i koštanje ispitivanja je umanjeno za60%.

Slika 13. Ultrazvučno ispitivanje6

6 Slike 13,14,15 ,16,17. preuzete :Terzić, P., Ispitivanje metala, IMS Institut, 1982.

20


4. POSTUPAK ISPITIVANJA

Ultrazvukom možemo ispitivati velike predmete i dvodimenzionalno prisutnost grešaka se prikazuje bolje nego s rendgenskim zraka.Kod ispitivanja tehničkih materijala primenom ove metode ne razaranjem materijala, postoji veliki spektar primene. Sa ovom metodom možemo ispitivati epruvete, poluproizvode, gotove elemente kao i neke mašinske obrade oblikovanjem kao što je zavarivanje.

U ultrazvučnoj dijagnostici refleksija se naziva eho ili odjek. Treba takođe imati u vidu da će svaka nehomogenost u materijalu izazvati promenu u prenosu energije. Ukoliko je ultrazvuk velikog inteziteta tj. jačine on na organizam ima: toplotno dejstvo, kavitaciono dejstvo i mehaničko dejstvo. Ultrazvuk dobijamo iz ultrazvučnog generatora, a to je ustvari pretvarač energije napajanja u ultrazvučnu energiju. Postoje dve vrste ultrazvučnih generatora i to su mehanički i elektronski.

4.1. Ispitivanje dijagnostičkim instrumentima

Ultrazvučni dijagnostički instrumenti se baziraju na impulsnoj eho-sondi. Ultrazvučna sonda emituje ultrazvučni impuls, kako je poznata brzina njegovog prostiranj na osnvu slike koja se na ekranu dobija, nije teško odrediti lokaciju na kojoj se neka granična površina ili neko strano telo u organizmu nalazi.

Princip rada ultrazvučnog dijagnostičkog uređaja prikazan je na blok šemi na slici 10.

Slika 14. Blok šema ultrazvučnog dijagnostičkog instrumenta

Uobičajeno, piezoelektrični pretvarač sadrži samo jednu kristalnu pločicu koja služi i kao predajni i kao prijemni element. Takt generator, učestanosti 500Hz pobuđuje impulsni generator. Na izlazu generatora dobijaju se impulsi amplitude oko 300V, trajanja oko 1μs(detalj 1 na sl. 10)Sa pojavom predajng impulsa, sinhrono predajno prijemni preklopnik isključuje prijemni kanal i spaja predajni impulsni generator sa pretraživačem. Pretraživač se pobuđuje pomenutim impulsom i emituje ultrazvučni signal. Pretaživači koji se koriste imaju rezonantnu učestanost (obično 2,5MHz), pa je i učestanst emitovanog paketa impulsa 2,5MHz. Čim se paket izemituje, predajnu prijemni preklopnik prekida vezu između predajno impulsnog generatora i pretraživača i priključuje pretvarač na ulaz pretpojačavača. Uređaj ostaje u ovom stanju sve dok ne dođe trenutak emitovanja narednog impulsa, što je određeno takt generatorom. Ukoliko emitovani ultrazvučni paket naiđe na prepreku

21

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMili na graničnu površinu, delimično će se odbiti i na istom pretvaraču koji ga je emitovao izvršiti pobudu. Ova pobuda će se manifestovati kao oscilacija pretraživača, koji će kao signal prigušenih oscilacija prenositi do pretpojačivača (detalj 2 na slici 10.). Detekcija ovog prijemnog eho signala se vrši na ekranu monitora.Takt generator sinhronizovano okida generator vramenske baze, tako da se može tačno podesiti vrame po x-osi, što je veoma važno za određivanje udaljenosti granične površine ili stranog tela. Najčešće korišćeni pretvarači imaju rezonantnu učestanost od 2,5MHz. Oni omogućavaj eho iz materijala sa udaljenosti od 20cm. Ovo granicu određuju velika apsorcija signala, kao i dobra rezolucija. Ako bi se koristila niža učestanost od npr. 1MHz, eho bi se dobio sa rastojanja od 0,5m, ali bi rezolucija bila vrlo slaba. Pri korišćenju viših učestanosti (npr. 10MHz), rezolucija se povećava ali se zato dubina eha smanjuje.

4.2. Ispitivanje ultrazvučnom sondom

Sondu primenjujemo tako što je prislonimo na objekat, koji ne mora da bude homogen, i impulsno je pobuđujemo. Impuls se odbija od same površine na koju je prislonjena sonda, prodire u objekat, a zatim se odbija i od svih površina na kojima postoji nehomogenost, odnosno promena gustine.Registrovani talasi dolaze sa vremenskim kašnjenjem koje zavisi od rastojanja izvora od detektovane površine. Reflektovani talas pobuđuje sondu (mehanički) koja zbog toga na svojim krajevima generiše električni napon koji registrujemo

Ako se jedna takva sonda prisloni uz neki homogeni materijal u kome se nalazi neko strano telo, proces će se odvijati kao što je prikazano na slici 9.

Sonda Strano telo Homogen materijal

Slika 15. Širenje ultrazvuka i odbijanje od prepreka Registrovanje prepreka impulsima na katodnom osciloskopu

Pločica se pobuđuje naponskim impulsima usled čega se emituje ultrazvuk, a deo ultrazvuka koji se odbija od granične površine se posmatra na monitoru ultrazvučnog uređaja. Na ulasku u telo, deo ultrazvuka se reflektuje (pik I), a ostatak nastavlja put kroz telo. Pri prelasku na strano telo, veći deo impulsa prolazi oko stranog tela, a jedan deo se reflektuje od čeone površine stranog tela (pik II). Na kraju impuls dolazi do kraja homogenog tela i prelazi u drugu sredinu. Na zadnjoj strani tela

22

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMponovo dolazi do delimične refleksije ultrazvuka (pik III). Ovde je potrebno napomenuti da se ultrazvuk koji se reflektovao o strano telo vraća ka izvoru i tu se opet reflektuje od granične površine i kao novi impuls ide ka stranom telu. Međutim, višestruko reflektovani ultrazvuk je malog inteziteta i njegov eho se ne može pomešati sa slikom primarnog impulsa na monitoru.

4.3. Ispitivanje impulsnim ehom

Način otkrivanja grešaka u materijalu zasniva se na tonskim, impulsnim-eho i rezonantnim metodama, koje u suštini registruju na odgovarajudi način ulazne i izlazne talase - "signale". Prolaskom kroz homogeni materijal, npr. kod tonskih metoda visina tona zvuka je ujednačena a pri nailasku na grešku dolazi do njegove promene.

Slika 16.

Slika 17.

Generator impulsa emituje ultrazvučne talase koji se preko predajne sonde G1 prenose kroz materijal. Ultrazvučni talasi, prolazeći kroz materijal, nailaze na različite prepreke i posle odbijanja dolaze u prijemnu sondu G2 . Iz prijemne sonde ultrazvučni talasi dolaze u pojačivač, a odatle u osciloskopski indikator gdje se registruju na ekranu. Predajna sonda daje uzak snop ultrazvučnih talasa koji nailazeći na različite gustine imaju različito odbijanje. Tako talas 1, koji se odbija od površine predmeta na ulazu u predmet, registruje se na mjestu 1 na ekranu, a zrak 3 koji se odbija na

mestu izlaza iz materijala, označen je na ekranu sa 3. Svi ostali zraci koji se odbijaju unutar materijala biće registrovani u intervalu od 1 do 3. Talas 2 koji na prolazu kroz materijal nailazi na grešku. Odbija se i dolazi u prijemnu sondu pre talasa 3 koji se odbija od donje površine predmeta.

23

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMUltrazvučne metode se koriste takodje i za merenje debljine zidova koji nisu pristupačni sa

obe strane do debljine 23 mm sa tačnošću 0,01 mm. Tamo gde su greške u materijalu reflektira se ultrazvuk i dobije se eho-signal na oscilografskom ekranu. Kod homogenih materijala, ultrazvuk se obija tek onda kad ultrazvučna zraka dođe do suprotne strane ispitivanog predmeta (granica sa atmosferom). Na posmatračkom ekranu tada će se registrovati debljina komada s tačnošću od 0,1 mm. Metoda se primjenjuje kod svih materijala, većini plastičnih materijala i dr.

24


5. REZULTATI MERENJA

Kao rezultat većeg broja identičnih ispitivanja nekog svojstva (na većem broju uzoraka), dobiće se skup različitih numeričkih vrednosti. Može se tada postaviti pitanje uzroka manjeg ili većeg rasipanja rezultata, pitanje prihvatljive granice ovih rasipanja, kao i pitanje koja veličina u datim okolnostima može da se usvoji kao merodavna, tj. kao reprezentant datog svojstva. I ako se ispitivanja materijala uvek sprovode pod istim uslovima, zbog postojanja velikog broja uticajnih faktora, pojedini rezultati ispitivanja uvek će se međusobno razlikovati. Ove razlike uglavnom nisu i ne smeju da budu značajne, mada je i to u nekim slučajevima moguće.

Ova metoda ispitivanja materijala je veoma korisna kako u mašinstvu tako i u drugim granama privrede, najveću primenu je našla u medicini, elektronici kao i drugim delatnostima. Nakon zapisivanja podataka na kao što su: rupe u materijalu, mikro prsotine, naprsline greške u livenju, greške u zavarivanju i td. zapis dolazi do izvršioca koji tumači nedostatke, greške u materijalau. Koji određuje dalje mere kontrole, koji su propisane propisima. Izvršioc ispitivanja koji upravlja ovim procesom treba da je obučen za tu vrstu poslova, da bi uspeo da protumači sve pojave koje se nalaze na rezultatu merenja.

Jedna od pogodnosti ultrazvuka je mogućnost dobijanja trodimenzionalnih prikaza. Danas se već mnogo radi na holografskoj primeni ultrazvuka, kao i na široj primeni kompjutera u ovoj oblasti.

5.1 A-prikaz ultrazvuka

A – prikaz je jednodimenzionalni prikaz ultrazvuka. Ovaj metod se uspešno koristi za detekciju unutrašnjosti materijala u kome se nalaze izrazite prepreke.

Slika 18. A-prikaz

25

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMKod A – prikaza okida se kratkotrajni impuls koji se sastoji od nekoliko prigušenih oscilacija,

slika 19.

slika 19.

Kada takav usmereni talas naiđe na strukture različite akustične impedanse, dolazi do refleksije na tom graničnom spoju i reflektovana energija vraća se natrag do piezoelektričnog pretvarača gde će se ultrazvučni signal pretvoriti u naponski signal. Taj naponski signal prestavlja odjek i nakon pojačanja prikazuje se na ekranu kao vertikalni pik što se vidi na slici 14.

Slika 20: Snimak ehoencefalograma

Na ekranu monitora dobija se prvi impuls koji znači start. Drugi impuls prestavlja mesto eha tj. refleksije. Vremenska razlika ova dva impulsa je srazmerna dvostrukom rastojanju objekta ili granične površine od ulazne površine. Da bi se taj pik snopa elektrona pozicionirao na pravom mestu, otklanja se snop u horizontalnom smislu (x - osi), tako da vreme potrebno da se snop elektrona otkloni sa ekrana odgovara vremenu potrebnom da ultrazvučni signal stigne do druge strane materijala, reflektuje se i vrati.

26

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOM5.2 B-prikaz ultrazvuka

B– prikaz je dvodimenzioni prikaz. Mnogo više informacija daje prikaz u dve dimenzije kada se mogu posmatrati oblici u materijalu. B – prikaz ultrazvuka se može obavljati statički i linearno.B – prikaz je u stvari T - M prikaz pri kome se ultrazvučna sonda pomera. Osnovni princip dat je na slici 26.

Slika 21.7 Eho signal koji se dobija na ekranu monitora se prikazuje u obliku svetlih tačaka, a njihova pozicija odgovara tački u prostoru od koje se signal ultrazvuka odbija u unutaršnjosti. Kao posledica mehaničkog skeniranja dobijaju se podaci o X-Y koordinatama sonde u obliku odgovarajućih napona koji se dovode na X-Y ulaze monitora. Eho signal iz sonde preko Z ulaza vrši svetlosnu modulaciju i generiše svetle tačke po X-Y koordinatama, na ovim mestima gde je došlo do refleksije od graničnih površina. Na taj način se na ekranu metrijskog monitora slaže slika preseka. Da bi se dobila dvodimenzionalna slika, umesto upotrebe mehaničkih rotirajućih ili nižućih sondi može se upotrebiti niz od linearno poređanog većeg broja pretvarača. Broj ultrazvučnih pretvarača smeštenih u liniju može biti od 64 do najviše 420.

5.3 Impulsni-eho

Kod impulsnih-eho metoda prolaz ultrazvučnih talasa kroz materijal (odnosno, pri njihovom nailasku na grešku), zasnovan je na istom principu kao i kod impulsnih uredjaja, sa tom razlikom što se signali - ulazni i izlazni - uočavaju na ekranu u vidu svetlosnih signala..Signal greške nalazi se izmedju ulaznog i izlaznog signala na odstojanju koje je proporcionalno dubini lokacije greške

Slika 22: Određivanje grešaka impulsno-eho metodom

7 Slike:21,22. Burzić, M., Magistarski rad, Tehnološko-metalurški fakultet Beograd,2000.

27


6. ZAKLJUČAK

Savremena oprema za ispitivanje metala je danas neizostavan segment ocene kvaliteta materijala, kao i ocene njihovih mehaničkih i eksploatacijskih svojstava. Njen značaj za razvoj tehnike i današnja dostignuća na polju gradnjeaviona, automobila, železnica, brodova, turbina, mlaznih motora, svemirskihletilica itd. je izuzetno veliki. Danas, praktično, nije moguće zamisliti ni jednu ozbiljnu naučno-istraživačku organizaciju iz oblasti ispitivanja metala i metalnih konstrukcija, preduzeće koje se bavi preradom metala, odnosno izradom metalnih proizvoda bez sopstvene laboratorije sa opremom za različite vrste ispitivanja.Osnovni napredak u razvoju nove opreme se ogleda u primeni novihsavremenih sistema za prikupljanje i obradu rezultata ispitivanja, kao i potpunu automatizaciju procesa rada. Primena novih opteretnih ćelija, kao iekstenzometara dovela je do toga da je danas teško moguće zamisliti nekoispitivanje koje se ne može realizovati u gotovo identičnim eksploatacijskim uslovima.

Rezime :

Sve veći broj raznovrsnih materijala u primeni i sve oštriji zahtevi u pogledu kvaliteta nametnuli su potrebu da se izvrši standardizacija i propišu osnovna svojstva raznih vrsta materijala, a samim tim i standardizacija postupaka ispitivanja. Ispitivanje materijala ne vrši se samo radi utvrđivanja svojstava prilikom proizvodnje, ili prijema, već vrlo često i radi raznih eksperimenata u svrhu utvrđivanja načina upotrebe i odgovornosti koja nastaje usled ne celishodne upotrebe.

Ispitivanje materijala bez razaranja upotrebljava se najviše za gotove delove ili konstrukcije i svrha mu je da prvenstveno izvrši kontrolu proizvoda. Uglavnom se ovim metodama izvodi ispitivanje homogenosti materijala. Otkrivaju se nečistoće u materijalu kao što su: plinski mehurići, nečistoće (šljaka), pukotine, zarezi, razlika u debljini materijala, prekide u varovima itd. Ove greške u materijalu, koje nisu vidljive prostim okom, mogu znatno smanjiti upotrebnu funkciju dela ili konstrukcije.

Prednosti ultrazvučnog ispitivanja: prenosivost niska cena detekcija raznih diskontinuiteta i trenutni rezultati minimalna priprema objekta široki raspon materijala i debljinaMane ultrazvučnog ispitivanja: površina mora biti dostupna otežana detekcija na hrapavim površinama zavisnost detekcije o orijentaciji defekta veoma visoka obučenost i iskustvo zahteva kontaktni materijal

28

ISPITIVANJE TEHNIČKIH MATERIJALA PIEZO-ELEKTRIČNIM EFEKTOMLITERATURA:

[1.] Burzić, M., Magistarski rad, Tehnološko-metalurški fakultet Beograd,2000.[2.] Brezovac T.: Tehnologija materijala za I razred za kvalifikovane radnike metalske struke, drugo izdanje, Libertatea, Pančevo 1974.[3.] ASTM E23-86: Standard Method for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Standards 1986, Vol. 03. 01, p.229.[4.] Manojlović B. M.: Mašinski materijali I, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd 1974.[5.] Manojlović B. M.: Mašinski materijali II, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd 1975.[6.] Stojadinović S., Ljevar A.: Poznavanje materijala, Univerzitet u Novom Sadu, Tehnički fakultet “Mihajlo Pupin“, Zrenjanin 2001.[7.] Stojadinović S., Ljevar A., Tasić I.: Poznavanje materijala, Univerzitet u Novom Sadu, Tehnički fakultet “Mihajlo Pupin“, Zrenjanin 2007.[8.] Ivanović D. M., Vučić V.M.: Atomska i nuklearna fizika, Fizika III, Naučna knjiga, Beograd 1991.[9.] Brekić J., Vukić M., Brekić M.: Mašinski materijali za I razred mašinske škole, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd 1992.[10.] Bojković R., Ljevar A., Nešić M., Banjac-Miljanović G.: Mašinski materijali, vežbe, Trstenik-Zrenjanin 1995.[11.] Ronai K.B: Osobine i ispitivanje materijala, Viša tehnička škola Novi Sad, Novi Sad 1983.[12.] Prof. dr M. Jeremić, načelnik organizator Sektora radiološke zaštite Instituta za radiološku zaštitu SR Srbije: Radiološka zaštita,[13.] Terzić, P., Ispitivanje metala, IMS Institut, 1982.[14.] Dr. Arsen Šurlan „Medicinski elektronski instrumenti“

http://metalurgija.org.rs/linkovi.htmhttp://www.pfri.hr/~tomac/TMO/http://www.mfkg.kg.ac.rs/http://www.ed.rs/yu/tekstovi/principi/signali.htm

29

http://www.ed.rs/yu/tekstovi/principi/signali.htm

http://www.mfkg.kg.ac.rs/

http://www.pfri.hr/~tomac/TMO/

http://metalurgija.org.rs/linkovi.htm

Documents

Ispitivanje tehničkih materijala Piezoelektričnim efektom