Metodyka ultrad wi kowych bada p ytek typu gres porcellanato

MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 60, 4, (008), 08-1 Metodyka ultrad wi kowych bada p ytek typu gres porcellanato WOJCIECH PIEKARCZYK 1, DARIUSZ KATA 1, JERZY LIS 1, KRZYSZTOF GALOS 1, 1 Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydzia Inýynierii Materia owej i Ceramiki Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi PAN, Kraków e-mail: kata@agh.edu.pl Streszczenie Opracowano metod pomiaru pr dko ci fal ultrad wi kowych pod u nej i poprzecznej w przypadku tworzyw gres porcellanato. Dokonano wyboru odpowiedniego aparatu i g owic ultrad wi kowych. metoda ultrad wi kowa stworzy a mo liwo bada niejednorodno ci, anizotropii i w a ciwo ci spr ystych wytypowanej eramiki. Zmierzone rozmiary niejednorodno ci nie przekracza y 7%, za anizotropia 6,5%. Modu Younga p yt L (lepszy rodzaj) osi gn warto 70 GPa i by ok. 7% wi kszy od modu u p yt G (gorszy rodzaj). Równie modu sztywno ci p yt L by ok. 7% wi kszy i wynosi 30 GPa. Liczba Poissona obydwu rodzajów p yt wynosi a 0,159. S owa kluczowe: oznaczenie nieniszcz ce, metoda ultrad wi kowa, gres porcellanato THE METHODOLOGY OF ULTRASONIC STUDIES OF THE GRES PORCELLANATO TILES The methodology of measurement of longitudinal and transverse ultrasonic wave velocity was worked out in the ceramic gres porcellanato bodies. The selection of suitable apparatus and the ultrasonic heads was executed. Ultrasonic methodology created possibility of the investigation of in-homogeneity, anisotropy and elastic properties of gres porcellanato bodies. The determined sizes of in-homogeneity and anisotropy did not exceed 7% and 6,5%, respetively. The Young s modulus of the L plates (better type of plates) achieved the value 70 GPa and it was about 7% larger than the module of the G plates (worse type of plates). Also the modulus of rigidity for plates L was about 7% larger and it carried out 30 GPa. The Poisson ratio for both kinds of plates amounted to 0,159. Keywords: Non-destructive evaluation, ultrasonic method, gres porcellanato Wprowadzenie Ultrad wi kowe metody badania materia ów i wyrobów polegaj na pomiarze pr dko ci rozchodzenia si fal ultrad wi kowych w o rodkach spr ystych, która to pr dko jest funkcj mikrostruktury, sta ych spr ysto ci, g sto ci oraz wymiarów geometrycznych badanego materia u [1, ]. Metody ultrad wi kowe pozwalaj w sposób nieniszcz cy na systematyczne ledzenie zmian zachodz cych w produkowanym jednostkowym wyrobie od formowania do ko cowego produktu, a tak e na prowadzenie bada po dowolnym czasie u ytkowania wyrobu. Mo na w sposób bezpo redni wyznaczy wszystkie sta e spr ysto ci lub sta e materia owe próbek izotropowych i anizotropowych, okre li niejednorodno i anizotropi. Mo na równie okre li inne w asno ci zyczne badanego materia u np. wytrzyma o na zginanie, ciskanie, porowato, g sto itp. w oparciu o wcze niej wyznaczone korelacje [1, 7]. Badania ultrad wi kowe s badaniami powtarzalnymi i mog by wykonywane na wyrobach o ró nych kszta tach, ró nych wielko ciach, ró nym sk adzie fazowym i obj to ciowym, w ró nych kierunkach i miejscach badanego wyrobu [1]. Poszczególne badania wymagaj jednak doboru odpowiedniego typu aparatury i oprzyrz dowania. Spowodowane jest to niejednoznaczno ci w odczycie impulsów pomiarowych ze wzgl du na wyst powanie silnego t umienia i rozproszenia fal ultrad wi kowych w porowatych materia- ach ceramicznych [1, 5]. Materia y Opracowanie metodyki bada ultrad wi kowych p ytek ceramicznych przeprowadzono na kilku p ytkach wybranych po wst pnych badaniach z du ej liczby grup p ytek typu gres porcellanato, wypalanych w temperaturze 100 o C. Podstawowe sk adniki mas surowcowych do wytworzenia tych p ytek, czyli surowce skaleniowo-kwarcowe, kaolin szlamowany i piasek kwarcowy by y sta e, natomiast masy te ró ni y si mi dzy sob zawarto ci ró nych gatunków i ów plastycznych jasno wypalaj cych si. Wskutek tego p ytki znacznie ró ni y si w a ciwo ciami fizycznymi i mechanicznymi takimi jak: nasi kliwo, twardo, cieralno, wytrzyma o na zginanie, odporno na wstrz sy cieplne itp. [8]. Z grup tych wybrano do dalszych bada p ytki o najni szej i najwy szej wytrzyma o ci na zginanie. W niniejszym artykule oznaczono je jako p ytki gorsze G 08

METODYKA ULTRAD WI KOWYCH BADA P YTEK TYPU GRES PORCELLANATO tzn. wykazuj ce ni sz wytrzyma o na zginanie, oraz p ytki lepsze L o wy szej wytrzyma o ci na zginanie. P ytki L i G posiada y w przybli eniu wymiary: d ugo - 10,5 mm, szeroko - 51 mm, grubo - 5,4 mm. 11 10 4 9 8 7 3 6 5 A B d ugo 1 E C D szeroko C Aparatura B Na wybranych p ytkach wykonano - w kilkudziesi ciu punktach pomiarowych w kierunkach po d ugo ci, po szeroko ci i po grubo ci - pomiary pr dko ci rozchodzenia si pod u nej fali ultrad wi kowej aparatem MT-541 (UNIPAN) z par przetworników o niskiej cz stotliwo ci f = 0,5 MHz i aparatem UZP-1 (prototyp INCO VERITAS) z przetwornikami o cz stotliwo ci f = 10 MHz. Na p ytkach tych wykonano równie pomiary rozchodzenia si poprzecznej fali ultrad wi kowej stosuj c aparat UZP-1 i przetworniki o cz stotliwo ci f = 4 MHz. Jako o rodek sprz gaj cy dla pomiarów aparatem MT- 541 u yto lepca dwusnatomiast dla aparatu UZP-1 dla fal pod u nych stosowano olej, a dla fal poprzecznych balsam kanadyjski. Ze wzgl du na du e t umienie fal ultrad wi kowych o wysokich cz stotliwo ciach w próbkach ceramicznych w pomiarach aparatem UZP-1 stosowano dodatkowo wzmacniacz impulsów. Metodyka bada Na p ytkach wykonano pomiary pr dko ci rozchodzenia si pod u nej fali ultrad wi kowej aparatem MT-541 w 5 punktach po d ugo ci, 11 punktach po szeroko ci oraz 77 punktach po grubo ci p ytek - rysunek 1. cian po grubo ci oznaczono liter A, po szeroko ci liter B a po d ugo ci liter C. W wymienionych punktach wykonano równie pomiary aparatem UZP-1. Na podstawie uzyskanych wyników bada dla fali pod u nej na w/w p ytkach ustalono po jednym punkcie pomiarowym dla ka dego kierunku do pomiaru pr dko ci fali poprzecznej. Uzyskane warto ci pr dko ci fal pod u nych i fali poprzecznej pozwalaj na okre lenie niejednorodno ci, w asno ci spr ystych i anizotropii badanych p ytek. Sta e materia owe obliczono ze wzorów: E = v L (1+ )( 1 )/(1 ) (1) G = vt () v L v T = (3) ( v L v T ) gdzie: E - modu Younga [GPa], G - modu sztywno ci [GPa], - wspó czynnik Poissona, - g sto pozorna próbek [kg/m 3 ], v L - pr dko fal pod u nych [m/s], v T - pr dko fal poprzecznych [m/s]. Sta e materia owe mo na oblicza z powy szych wzorów, gdy próbki spe niaj warunek o rodka trójwymiarowego [, 3], czyli gdy wymiar poprzeczny próbki jest kilkakrotnie wi kszy od d ugo ci przechodz cej pod u nej fali ultrad wi kowej. A grubo Rys. 1. Rozk ad punktów pomiarowych pr dko ci fali pod u nej po d ugo ci ciana C; po szeroko ci ciana B; po grubo ci ciana A przeci cie linii Wielko anizotropii okre lonej w asno ci zycznej dla badanej próbki wyznacza si poprzez pomiary danej w asno ci w ró nych kierunkach próbki pod ró nymi k tami do kierunku jej formowania. Przy prasowaniu jednoosiowym, wyst puj c anizotropi w asno ci w badanych próbkach mo na atwo okre la metod ultrad wi kow, wykonuj c pomiary pr dko ci rozchodzenia si pod u nych fal ultrad wi kowych w kierunku równoleg ym i prostopad ym do kierunku formowania próbki w matrycy. Wielko anizotropii pr dko ci obliczono ze wzoru: A = 100 (V d V g ) / V d [%] (4) gdzie: V d rednia pr dko pod u nej fali ultrad wi kowej mierzona po d ugo ci lub szeroko ci p ytki, V g rednia pr dko pod u nej fali ultrad wi kowej mierzona po grubo ci (w kierunku formowania próbki). Metod ultrad wi kow bada mo na równie niejednorodno materia ów, czyli okre la w sposób nieniszcz cy obszary o wi kszej i mniejszej g sto ci w próbce [1]. Z pomiarów pr dko ci fali pod u nej na badanej cianie próbki okre lono pr dko ci maksymaln i minimaln i z wzoru (5) wyliczono wielko niejednorodno ci dla danej ciany. N = 100 (V max V min ) / V max [%] (5) gdzie: V max maksymalna warto pr dko ci pod u nej fali ultrad wi kowej na badanej cianie próbki V min - minimalna warto pr dko ci pod u nej fali ultrad wi kowej na tej samej cianie. Badania niejednorodno ci próbek mo na przeprowadza na ka dym etapie ich otrzymywania, dobieraj c odpowiednio aparatur, cz stotliwo i typ fali ultrad wi kowej. Sposób formowania w nawi zaniu do badanych próbek ma istotny wp yw na wielko anizotropii w asno ci zycznych. Najwi ksza anizotropia w asno ci wyst puje w próbkach formowanych jednoosiowo, w których wyd u one ziarna i pory uk adaj si w sposób uprzywilejowany prostopadle wzgl dem kierunku formowania próbki. Najcz stsze u o enie ziaren i porów d u szym wymiarem prostopadle do kierunku formowania próbki powoduje obni enie w asno ci zycznych próbki w kierunku równoleg ym do kierunku formowania w wyniku wzrostu wspó czynnika koncentracji napr e na porach dla tego kierunku. W kierunku prostopad ym do kierunku formowania próbki, w asno ci zyczne s lepsze. Zastosowanie prasowania izostatycznego zmniejsza wielko anizotropii lub praktycznie j eliminuje [1]. Wyniki bada Na ka dej z badanych p ytek wykonano aparatem MT-541 pomiary pr dko ci rozchodzenia si pod u nej MATERIA Y CERAMICZNE, 60, 4, (008) 09

W. PIEKARCZYK, D. KATA, J. LIS, K. GALOS fali ultrad wi kowej w ka dym punkcie przedstawionym na rysunku 1. W punktach tych wykonano po co najmniej pi niezale nych pomiarów, z których wyliczono warto ci rednie i odchylenie standardowe pr dko ci rozchodzenia si pod u nej fali ultrad wi kowej. Na rysunkach i 3 przestawiono rozk ad pr dko ci fali po d ugo ci i szeroko ci dla p ytki L (lepszej) i G (gorszej). Dla wi kszo ci punktów pomiarowych wielko ci odchylenia standardowego s mniejsze od wielko ci znaczników u ytych na wykresach. Rozk ad pr dko ci po tak ma ej grubo ci p ytki mo na wyznaczy aparatem UZP-1 z u yciem przetworników o wysokiej cz stotliwo ci. Aparatem tym uzyskuje si znaczne zwi kszenie dok adno ci pomiarów, poniewa czas przej cia fali odczytuje si na podstawie wielokrotnego przej cia fali czyli wielokrotnych ech, a nie tylko na podstawie jednokrotnego przej cia fali. Rys. 4. Rozk ad V L na cianie A p ytki L Rys.. Rozk ad pr dko ci V L na cianie C p ytek L i G Analizuj c rozk ady pr dko ci na cianie B p ytki G mo na zauwa y, e najmniejsz pr dko wyznaczono w punktach od 3 do 9. Oznacza to, e w obszarach rodkowych wyst puje najmniejsze zag szczenie materia u jak mo na wnioskowa z rysunku 3. Wielko niejednorodno ci dla ciany B wynosi,8 %. Podobn tendencj zaobserwowano na rysunku dla ciany C gdzie niejednorodno wynosi,3 %. Rys. 5. Rozk ad V L na cianie A p ytki G Rys. 3. Rozk ad pr dko ci V L na cianie B p ytek L i G Dla p ytki L wyznaczone pr dko ci fali ultrad wi kowej s znacznie wy sze, natomiast wahania pr dko ci na poszczególnych cianach s nieco ni sze w porównaniu z p ytk G. Dla ciany B p ytki L niejednorodno wynosi,53%, dla ciany C - 0,99%. Oznacza to, e p ytka L jest bardziej jednorodna ni p ytka G. Ze wzgl du na ma grubo p ytek, wyniki pomiarów pr dko ci fali pod u nej wyznaczone w tym kierunku aparatem MT-541 obarczone s b dem pomiarowym przekraczaj cym 10%. Ewentualne wahania pr dko ci spowodowane niejednorodno ci mieszcz si w granicach b du pomiarowego. Dlatego p ytki o ma ych grubo ciach poni ej 1 cm [, 3], nie powinny by badane aparatem MT-541 z przetwornikami o niskich cz stotliwo ciach. Rys. 6. Rozk ad V L na cianie A zdefektowanej p ytki G Szczegó owe badania niejednorodno ci p ytek po grubo ci w punktach pokazanych na rysunku 1, przeprowadzono aparatem UZP z par przetworników o cz stotliwo ci f = 10 MHz. Na rysunku 4 przedstawiono rozk ad pr dko ci pod u nej fali ultrad wi kowej po grubo ci p ytki. Mo na zauwa y, e najwi ksze pr dko ci fali ultrad wi kowej wyst puj w obszarach brzegowych, a mniejsze w obszarach rodkowych p ytki L. Wielko niejednorodno ci wyst puj cej na cianie A dla p ytki L wyliczona ze wzoru (5) wynosi 6,63%. Podobn tendencj zmian pr dko ci fali ultrad wi kowej przedstawion na rysunku 5 stwierdzono na cianie A dla p ytki G. Niejednorodno 10 MATERIA Y CERAMICZNE, 60, 4, (008)

METODYKA ULTRAD WI KOWYCH BADA P YTEK TYPU GRES PORCELLANATO jest nieco wy sza ni w przypadku p ytki L i wynosi N = 7,06%. rednia pr dko po grubo ci w p ytce L jest wi ksza o 13,3% w porównaniu z p ytk G. Podczas badania jednej z p ytek G aparatem UZP-1 stwierdzono zanik impulsów na przeci ciach linii 9 i 10 z liniami C i D. Jest to obszar oznaczony kolorem bia ym na rysunku 6, gdzie warto ci pr dko ci pod u nej fali ultrad wi kowej wynios y zdecydowanie poni ej 4500 m/s. Przy maksymalnym wzmocnieniu impulsów ultrad wi kowych uzyskane czasy przej cia pozwoli y w przybli eniu oszacowa warto ci pr dko ci w tych obszarach. Na rysunku 7 przedstawiono uzyskane przy maksymalnym wzmocnieniu pr dko ci fali mierzone wzd u linii 10. Jak pokazano na rysunku 8 dodatkowe badania aparatem MT-541 wykaza y silne obni enie pr dko ci w tym obszarze znacznie przekraczaj ce warto b du pomiarowego. Z rozk adu pr dko ci fali ultrad wi kowej w tej p ytce przedstawionego na rysunku 6 mo na wnioskowa, e w obszarze o silnie obni onej pr dko ci znajduje si defekt w postaci p kni cia, rozwarstwienia lub silnego rozrzedzenia materia u. Rys. 7. Rozk ad V L na p ytce G linia 10 aparat UZP-1 Aby to sprawdzi p ytk przeci to wzd u linii 10 oraz 9 i stwierdzono w tym obszarze rozwarstwienie. Jak pokazano na rysunku 9 jest to szczelina o d ugo ci ok. 3 cm i grubo ci dochodz cej do 0,5 mm obejmuj ca swym zasi giem punkty pomiarowe, dla których nie uzyskano czasów przej cia fali pod u nej aparatem UZP-1. Rys. 8. Rozk ad V L na p ytce G linia 10 aparat MT-541 rednie warto ci pr dko ci fali pod u nej wyznaczone przy cz stotliwo ci f = 0,5 MHz dla cian B i C z wszystkich badanych p ytek s wi ksze tylko o 0,5% od pr dko ci wyznaczonych dla tych samych kierunków przy f = 10 MHz. Dlatego w pomiarach pr dko ci fali pod u nej po szeroko ci i d ugo ci p ytek wystarczy wykona pomiary pr dko ci tylko aparatem MT-541 dla f = 0,5 MHz. Pomiary tym aparatem s znacznie szybsze i atwiejsze w porównaniu z pomiarami wykonanymi aparatem UZP-1. Rys. 9. P kni cie w p ytce G wzd u linii 10 rednia warto pr dko ci pod u nej fali ultrad wi kowej wyznaczonej na cianie B odpowiada warto ci pr dko ci wyznaczonej w punkcie B8. Jest to punkt pomiarowy po o- ony w odleg o ci 1/4 od brzegu p ytki. Dla ciany C rednia warto pr dko ci odpowiada warto ci zmierzonej w punkcie C4, czyli w punkcie po o onym w odleg o ci 1/4 od brzegu. Natomiast rednia warto pr dko ci fali pod u nej zmierzonej aparatem UZP-1 po grubo ci odpowiada warto ci wyznaczonej w punkcie na przeci ciu linii B8 i C4. Jest to punkt po o ony w 1/4 d ugo ci przek tnej. Dlatego w celu szybkiego okre lenia pr dko ci fali w ró nych kierunkach próbki wystarczy wykona pomiary aparatem MT-541 z przetwornikami f = 0,5 MHz po d ugo ci i szeroko ci w w/w punktach, natomiast aparatem UZP z przetwornikami f = 10 MHz w wymienionym punkcie po grubo ci. W oznaczonych punktach p ytek wykonano pomiary pr dko ci rozchodzenia si poprzecznych fal ultrad wi kowych. Stwierdzono nieznacznie wi ksze pr dko ci fali poprzecznej dla pomiarów po d ugo ci i szeroko ci p ytek dla polaryzacji równoleg ej do d u szych boków p ytki w porównaniu z polaryzacj prostopad. Dla pomiarów po grubo ci, pr dko ci fali poprzecznej o polaryzacji równoleg ej i prostopad ej s takie same - w granicach b du pomiarowego - i s równe pr dko ci fali uzyskanych dla pomiarów po d ugo ci i szeroko ci p ytek o polaryzacji prostopad ej. W badanych próbkach wyst puje równie zjawisko anizotropii. Dla p ytki G pr dko fali mierzona po szeroko ci wynosi 5015 m/s, po d ugo ci: 5007 m/s, a po grubo ci 470 m/s. Anizotropia liczona wg wzoru (4) wynosi A = 6,16%. Oznacza to, e pr dko ci mierzone po grubo ci s ni sze ni w pozosta ych dwóch kierunkach, oraz e lepsze w a ciwo ci p ytek wyst puj w kierunku prostopad ym do formowania próbki uprzywilejowana orientacja d u szym wymiarem ziaren i porów. Dla p ytki L pr dko ci fali we wszystkich kierunkach s znacznie wi ksze w porównaniu z p ytk G. Po szeroko ci pr dko wynosi 5693 m/s, po d ugo ci 5690 m/s, a po grubo ci 5435 m/s. Anizotropia wg wzoru (4) wynosi odpowiednio A = 4,5% Sta e materia owe obliczone z wzorów (1), () i (3) dla warto ci rednich pr dko ci fal pod u nych i poprzecznych dla cian B i C przedstawiono na rysunku 10. Modu Younga i modu cinania w p ytce L jest wy szy od modu ów w p ytce G o 7%. Natomiast dla pomiarów po grubo ci warto ci MATERIA Y CERAMICZNE, 60, 4, (008) 11

W. PIEKARCZYK, D. KATA, J. LIS, K. GALOS modu ów dla obu rodzajów p ytek s ni sze o 15%. Dla obu rodzajów p ytek wyznaczona rednia warto wspó czynnika Poissona wynosi μ= 0,159 ± 0,035. Praca zosta a wykonana w ramach projektu badawczego nr 3T08D0439, nansowanego przez Ministerstwo Nauki I Szkolnictwa Wy szego. Literatura Rys. 10. Sta e materia owe p ytek G i L Wnioski 1. Opracowano ultrad wi kow metodyk badania p ytek ceramicznych typu gres porcellanato. Pozwala ona w sposób nieniszcz cy na okre lenie niejednorodno ci, anizotropii i sta ych materia owych, a tak e na wykrywanie uszkodze p ytek.. Badane p ytki wykazuj niewielk niejednorodno. W pomiarach pr dko ci po d ugo ci i szeroko ci nie przekracza ona 4%, natomiast po grubo ci dochodzi do 7%. Najwi ksze obni enie pr dko ci czyli równie g sto ci, wyst puje w obszarach rodkowych. W jednej z p ytek stwierdzono silne obni enie pr dko ci po grubo ci, co by o spowodowane p kni ciem w rodku p ytki. 3. P ytki charakteryzuj si niewielk anizotropi pr dko ci, nie przekraczaj c 6,5%. 4. Modu Younga i modu cinania p ytek lepszych L jest o 7% wi kszy od modu u p ytek gorszych G, natomiast warto wspó czynnika Poissona jest taka sama. 5. Dla p ytek ustalono po jednym charakterystycznym punkcie pomiarowym na ka dej cianie, le cym w odleg o ci 1/4 d ugo ci boku, b d przek tnej od naro y p ytki, w których wykonane pomiary ultrad wi kowe pozwalaj w pe ni scharakteryzowa p ytk pod wzgl dem w a ciwo ci spr ystych, a tak e okre li ich anizotropi. [1] Piekarczyk J.: PAN, Prace Komisji Nauk Ceramicznych, Ceramika 54, Polski Biuletyn Ceramiczny nr 16. Kraków 1997, 177-187. [] Piekarczyk J., Hennicke H W., Pampuch R.: c /Ber.D.K.G. 59 (198).7-3. [3] Piekarczyk J.: In ynieria Materia owa, 13 [-3] (199) 7-73. [4] PN-79/H-04185, PN-8/7001-08, PN-85/H-04184 [5] Gacki F., Piekarczyk J., Wyszomirski P.: PAN, Prace Komisji Nauk Ceramicznych, Ceramika 60, Polski Biuletyn Ceramiczny nr. Kraków 000, 389-395. [6] Piekarczyk J., Piekarczyk W., Kotecki B.: Ceramika /Ceramics vol. 103, 008 [7] Piekarczyk J.: Materia y V Sympozjum Ceramiki. Serock 1984, 335-344. [8] Galos K., Piekarczyk W., Kata D., Materia y Ceramiczne vol 4, 008 (w przygotowaniu). 1 MATERIA Y CERAMICZNE, 60, 4, (008)