اندازه گیری تنش با امواج آلتراسونیک

مقدمه

در قرون وسطی کارگران ماهری که برای کلیساها ناقوس می­ساختند، بصورت تجربی بعداز ضربه زدن به ناقوس از روی صدای آن به سلامت یا وجود عیب در آن پی می­بردند. از این قانون کارگران راه آهن نیز استفاده می­کردند. بدین ترتیب که با چکش ضرباتی به چرخهای واگنها می­زدند و از روی نتهای صدا وجود عیب یا شل بودن چرخها را تشخیص می دادند.

در سال 1880 برادران کوری کشف کردند که اگر کریستالهای کوارتز به شیوه خاصی بریده شده و در معرض فشار یا ضربه قرار گیرند پتانسیل الکتریکی تولید می­کنند. در سال 1881 لیبمن فرضیه ای ارایه داد که این اثر کریستالها بصورت معکوس هم قابل انجام است. یعنی اگر کوارتز در معرض جریان الکترسیته متناوب قرار گیرد، شروع به ارتعاش می­کند. در 1912 بعد از غرق شدن کشتی تایتانیک نیروی دریایی سعی کرد از طریق ارسال امواج صوتی و دریافت اکوهای برگشتی راهی برای تشخیص محل دقیق کوه‌های یخی بیابد. آنها از این طریق به شناسایی زیر دریایی‌ها در طول جنگ جهانی اول پرداختند. در جنگ جهانی دوم نیز با استفاده از همین روش کمیته تحقیق و تشخیص ضد زیردریایی تشکیل شد که در جنگ آتلانتیک کمک گسترده­ای به ارتش امریکا نمود. در 1929 فیزیکدان روسی بنام سوکولف به دانش ارسال ارتعاشات تولیدی به درون فلزات پی برد. این کار بعدها توسط آلمان‌ها دنبال شد.

اولین عیب یاب آلتراسونیک توسط اسبرول در 1942 ساخته شد. اینکار همزمان توسط فایراستون امریکایی و یک فیزیکدان آلمانی انجام شد. در ابتدا تست آلتراسونیک فقط در صنعت هواپیمایی کاربرد داشت ولی در سال 1950 در نیروگاه‌های برق بریتانیا برای تست قطعات فولادی با ضخامت‌های بالا مورد استفاده قرار گرفت. بعد از جنگ جهانی دوم در ساخت نیروگاه‌های هسته­ای، صنعت نفت وهواپیمایی تست آلتراسونیک (UT) استفاده گسترده­تری یافت. امروزه دستگاه‌های آلتراسونیک از نظر اندازه، کارایی و تنوع پیشرفت‌های چشمگیری نموده­ اند.

اندازه گیری تنش

 یکی از مباحث مهم در صنعت، مقدار تنش اعمالی به قطعات می باشد. دانستن این مطلب، کمک بزرگی به طراحان در تعیین ضریب اطمینان، تخیمن عمر و همچنین آگاهی از عدم تجاوز تنش از حد مجاز می نماید. هرگونه تغییر شكل پلاستیك ناهمگن، گرم كردن یا سرد كردن غیر یكنواخت و یا نایكسان بودن تركیب شیمیایی می تواند باعث ایجاد تنش یا تنش پسماند شود. بسته به كاربرد، این تنش می تواند مطلوب یا نامطلوب باشد.

تا کنون روش‌های مختلفی جهت تعیین تنش ارائه شده است که در ادامه آنها را ذکر خواهیم کرد. در این پروژه به بررسی قابلیت اندازه گیری تنش با امواج آلتراسونیک خواهیم پرداخت. روش‌های مختلفی برای اندازه گیری غیر مخرب تنش وجود دارد که در ادامه به معرفی آنها خواهیم پرداخت.

استفاده از کرنش سنجی مکانیکی

در این روش با استفاده از اتصال کرنش سنج به قطعه مورد آزمایش، از روی مقادیر کرنش و استفاده از روابط پایه ای مقاومت مصالح، می توان تنش اعمالی به قطعه را محاسبه نمود.

استفاده از اشعه ایکس

امروزه روش‌های مختلفی برای اندازه گیری تنش پسماند وجود دارد که بعضی از آن‌ها مخرب و بعضی غیرمخرب می باشند که اندازه گیری تنش پسماند به روش استاندارد پراش اشعه ایکس غیرمخرب بوده و تنها برای اندازه گیری مواد با ساختار کریستالی کاربرد دارد و فقط می تواند تنش‌های موجود در سطح نمونه را اندازه گیری کند. تکنیک‌های پراش اشعه ایکس را می توان برای تعیین تنش‌های پسماند ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک بکار برد.

استفاده از اشعه ایکس تنها به عمق 10 میکرومتری قطعه و سطوح با مقاطع کم محدود می‌شود (عمق به ضریب جذب ماده بستگی دارد) و نیاز به تجهیزات خاص و گرانقیمت دارد. ولی این روش بسیار پرکاربرد بوده و بخوبی توسعه پیدا کرده است.

اصول و مبانی اندازه گیری تنش پسماند به روش استاندارد پراش اشعه ایکس را اولد و همکارانش در سال 1954 ارائه نمودند. از جمله تحقیقات انجام شده می توان به اندازه گیر ی تنش پسماند فیلم‌های شش ضلعی از جنس روی توسط آقای راموس در سال 1978 اشاره نمود. هم چنین در سال 1997 آقای آلبرتین و همکارانش تنش پسماند را در صفحات جوشکاری شده Al-2219 اندازه گیری نمودند. از پژوهش‌های انجام شده در سالهای اخیر نیز می توان به بررسی آسیب خستگی ناشی از تماس چرنده‌ها در سال 2009 توسط آقای پارینت و همکارانش اشاره نمود.

برای نمونه بدون تنش، پرتو اشعه ی ایکس تابیده شده، به وسیله ی شبکه ی کریستالی در زوایایی انعکاس داده  می‌شود که قانون براگ (که در آن d فاصله ی صفحات در شبکه کریستالی، n مرتبه ی انعکاس، λ طول موج اشعه ی ایکس و تتا زاویه ی براگ می باشد) را ارضا کند. وقتی ماده تحت بار قرار می گیرد، فاصله ی صفحات در شبکه ی کریستالی تغییر می کند و در نتیجه آن زاویه ای که در آن قانون براگ ارضا می‌شد تغییر می کند. میزان تغییر در موقعیت پیک منعکس شده، کرنشی است که بدلیل حضور تنش در ماده ایجاد شده است.

روش پراش اشعه ایکس برای اندازه گیری تنش پسماند نمونه‌های تخت ارائه شده است، و دستگاه‌های اندازه گیری تنش پسماند، دقیق ترین جواب‌ها را برای نمونه‌های تخت  می دهند. روش پراش اشعه ایکس برای هر ماده کریستالی قابل استفاده می باشد. این روش قابلیت اندازه گیری تنش پسماند را  در فلزات و آلیاژها و سرامیک‌ها را دارا می باشد. با این وجود، روش اشعه ایكس به خاطر در دسترس بودن و سهولت استفاده از آن بسیار پركاربرد است. عامل اصلی این كاربرد گسترده این است كه این روش به خوبی توسعه پیدا كرده است. این روش برای اندازه گیری تنش در لایه‌های سطحی محدود شده است و منجر به اندازه گیری در سطوح با مقاطع كم می‌شود. این مساحت با اندازه پرتو اشعه ایكس، كه به طور معمولی بسیار كوچك است محدود می‌شود. بنابراین، تغییرات تنش اندازه گیری شده با این روش مربوط به قسمت كوچكی نزدیك به سطح ماده می باشد. اشعه ایكس همچنین محدودیت هایی از نظر هندسه قطعه و حالت تنشی كه قرار است اندازه گیری شود، دارد.

روش تفرق نوترونی

این روش بدلیل مشکلات امنیتی، بیشتر در آزمایشگاه انجام می‌شود. روش تفرق نوترونی دارای مزیت بی مانندی است كه می تواند تنشهای پسماند را در یك مقطع از ضخامت قطعه مورد نظر اندازه گیری كند. این روش با اینكه قابلیت نفوذ خوبی دارد اما بسیار گرانتر از آن است كه بتوان از آن در كاربردهای معمول مهندسی استفاده كرد. این روش همچنین قابلیت حمل و نقل ندارد.

روش‌های مبتنی بر استفاده از خواص مغناطیسی (Magabsorption)

توسط این روش یک یا چند خاصیت مغناطیسی ماده نظیر تراوایی، تغییر شكل‌ بر اثر مغناطیس‌، هیسترزیس (پسماند مغناطیسى)، نیروى مغناطیس زدا و یا ناحیه مغناطیسی بررسی می‌شود و در نهایت با استفاده از تئوری‌های موجود در این زمینه به تنش ربط داده خواهد شد. اساس این روش نیز تغییرات بسیار جزئی خصوصیات مغناطیسی می باشد که به اثر مگنتوالاستیک (Magnetoelastic) معروف می‌باشد. این روش تنها برای مواد فرومغناطیس مانند فولاد بکار می‌رود.

جریان گردابی (Eddy Current)

مبدأ تست جریان گردابی به کشف القای الکترومغناطیسی توسط فارادی باز می گردد. در این روش تغییرات در ویژگی‌های یک کویل را زمانی که در تماس با فلزات با رسانایی و نفوذ پذیری مغناطیسی مختلف قرار می گیرد، اندازه گیری می‌شود. جریان گذرنده از یک کویل موجب ایجاد یک میدان مغناطیسی می‌شود. همچنین یک میدان مغناطیسی متحرک، موجب القای ولتاژ در یک ماده رسانای الکتریکی می‌شود. همچنین اگر جریان متغیر باشد، یک نیروی محرکه ی خود القایی در کویل ایجاد می‌شود که جهت آن در جهت خلاف جریان اعمالی است. با اندازه گیری تغییرات میدان مغناطیسی و با استفاده از تئوری‌های موجود در این زمینه می توان تنش اعمال شده به قطعات را اندازه گیری نمود.

امواج مایکروویو (Stress-Corrosion)

این امواج از جنس امواج الكترو مغناطیسی هستند كه در این محدوده فركانس پایین و طول موج بالایی دارند. امواج مایكروویو در مسیر حركت خود یا پس از برخورد با ماده انعكاس پیدا می كنند یا عبور می كنند و با جذب ماده می‌شوند. در این روش به كمك امواج مایكرویو تولید شده و ارسال آنها به درون نمونه و با اندازه گیری مشخصات عبوری و انعكاسی و با داشتن مشخصات الكترومغناطیس ماده مورد نظر می توان به بررسی مقدار تنش در قطعه پرداخت.

آکوستیک امیشن (نشر آوایی)

صدای منتشر شده از ترکهای در حال رشد مبنای بسیاری از تحقیقات علمی بود به محض اینکه این روش توسعه پیدا کرد به عنوان یکی از روش‌های تستهای غیرمخرب برگزیده شد. اساس این روش در واقع بررسی عملیات میکرومکانیکی است. تست آکوستیک امیشن یک روش قدرتمند برای آزمایش رفتار مواد تحت تنش است که از اوایل دهه 80 میلادی به صورت تجاری و صنعتی استفاده شد و قابلیت‌های منحصر به فرد آن سبب شد تا مورد توجه قرار گیرد. در این تکنولوژی از سنسورهای آلتراسونیک (20KHz-1MHz) برای شنیدن صدای مواد و شکست سازه‌ها استفاده می‌شود.

اندازه گیری كرنشهای ماكروسكوپیكی

روش‌های مبتنی بر اندازه گیری كرنش‌های ماكروسكوپیكی كه با برداشت ماده از قطعه تحت تنش آزاد می‌شوند. این شیوه پایه اندازه گیری با همه روش‌های مكانیكی است كه برای اندازه گیری تنش پسماند به كار می روند.

آلتراسونیک

توسط روش آلتراسونیک سرعت (یا زمان) امواج صوتی اندازه گیری می‌شود و توسط رابطه هایی که به آنها اشاره خواهیم کرد، به تنش ربط داده خواهد شد. اساس این روش تغییرات بسیار جزئی سرعت می باشد که به اثر آکوستوالاستیک معروف می باشد. مزیت این روش، محاسبه تنش نه تنها در سطح، بلکه در حجم قطعه نیز می باشد (بر خلاف روش اشعه ایکس). چون تنش در یک ماده در همه جهات یکسان نمی باشد، این روش نسبت به دیگر روش‌ها کمتر توسعه یافته است.

از طرف دیگر استفاده از آلتراسونیک نیز به دلیل حساسیت نوع موج به میدان تنش و نیز ارائه متوسط تنش در طولی که موج طی کرده است تنش را به طور نقطه ای نشان نمی دهد. روش جریان‌های گردابی در بین دو روش فوق قرار دارد که به طور نظری قابلیت تعیین تنش در هر نقطه و تهیه الگویی از توزیع تنش سطحی را دارد. در بین روش‌های غیر مخرب جهت اندازه گیری تنشهای سطحی می توان از روش اشعه ایکس، آلتراسونیک و جریانهای گردابی نام برد.

اولین بار در حدود سالهای 1950 با اندازه گیری سرعت موج التراسونیك، ثابت الاستیك مواد و تغییرات آن با دما و بار خارجی برآورد شد[28]. در این روش مانند دیگر روش‌های اندازه گیری غیر مخرب، تنش به طور مستقیم اندازه گیری نمی‌شود بلكه كمیت دیگری اندازه گرفته می‌شود كه تنش بر روی آن اثر گذار است.

از ویژگی روش آلتراسونیک می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. سریع (در چند ثانیه)
2. ارزان
3. قابلیت حمل

در تمام روش‌های التراسونیك برای اندازه گیری تنش، روابط ارائه شده بر یکی از دو اصل زیر استوار است:

1. سرعت موج التراسونیك
2. زمان عبور موج التراسونیك

در هر دو روش مسئله اندازه گیری زمان از اهمیت خاصی برخوردار است. بطور مثال امواج صوتی از یک قطعه با ضخامت 8 میلی متر، پس از زمان حدود 6 میكرو ثانیه به طرف مقابل برخورد كرده و سپس انعكاس می یابد.