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Técnica de excitación por impulso

La técnica de excitación por impulso ( IET ) es una técnica de caracterización de materiales no destructiva para determinar las propiedades elásticas y la fricción interna de un material de interés. Mide las frecuencias resonantes para calcular el módulo de Young, el módulo de corte, la relación de Poisson y la fricción interna de formas predefinidas como barras rectangulares, barras cilíndricas y muestras en forma de disco. Las mediciones se pueden realizar a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas (hasta 1700 ° C) en diferentes atmósferas.

El principio de medición se basa en tocar la muestra con un pequeño proyectil y registrar la señal de vibración inducida con un sensor piezoeléctrico, micrófono, vibrómetro láser o acelerómetro. Para optimizar los resultados, se puede utilizar un micrófono o un vibrómetro láser, ya que no hay contacto entre la pieza de prueba y el sensor. Se prefieren los vibrómetros láser para medir señales en vacío. Posteriormente, la señal de vibración adquirida en el dominio del tiempo se convierte al dominio de la frecuencia mediante una rápida transformación de Fourier. El software dedicado determinará la frecuencia de resonancia con alta precisión para calcular las propiedades elásticas basadas en la teoría clásica del haz.

Propiedades elásticas

Se pueden excitar diferentes frecuencias de resonancia dependiendo de la posición de los cables de soporte, el impulso mecánico y el micrófono. Las dos frecuencias de resonancia más importantes son la flexión controlada por el módulo de Young de la muestra y la torsión controlada por el módulo de corte para materiales isotrópicos.

Para formas predefinidas como barras rectangulares, discos, varillas y muelas abrasivas, el software dedicado calcula las propiedades elásticas de la muestra utilizando las dimensiones, el peso y la frecuencia de resonancia de la muestra (ASTM E1876-15).

Pieza de prueba que vibra en modo flexión

Modo de flexión

La primera figura da un ejemplo de una pieza de prueba que vibra en el modo de flexión. Esta vibración inducida también se conoce como el modo de vibración fuera del plano. La vibración en el plano se excitará girando la muestra 90 ° en el eje paralelo a su longitud. La frecuencia natural de este modo de vibración flexural es característica del módulo dinámico de Young. Para minimizar la amortiguación de la pieza de prueba, debe ser apoyada en los nodos donde la amplitud de la vibración es cero. La pieza de prueba se excita mecánicamente en uno de los antinodos para causar la máxima vibración.

Pieza de prueba que vibra en el modo de torsión

Modo de torsión

La segunda figura da un ejemplo de una pieza de prueba que vibra en el modo de torsión. La frecuencia natural de esta vibración es característica del módulo de corte. Para minimizar la amortiguación de la pieza de prueba, debe apoyarse en el centro de ambos ejes. La excitación mecánica debe realizarse en una esquina para torcer el haz en lugar de flexionarlo.

el coeficiente de Poisson

La relación de Poisson es una medida en la cual un material tiende a expandirse en direcciones perpendiculares a la dirección de compresión. Después de medir el módulo de Young y el módulo de corte, un software dedicado determina la relación de Poisson utilizando la ley de Hooke, que solo puede aplicarse a materiales isotrópicos de acuerdo con los diferentes estándares.

Fricción interna / amortiguación

La amortiguación del material o la fricción interna se caracteriza por la disminución de la amplitud de vibración de la muestra en vibración libre como disminución logarítmica. El comportamiento de amortiguación se origina a partir de procesos anelasticos que ocurren en un sólido tenso, es decir, amortiguación termoelástica, amortiguación magnética, amortiguación viscosa, amortiguación de defectos, ... Por ejemplo, diferentes defectos de materiales (dislocaciones, vacantes, ...) pueden contribuir a un aumento en el fricción interna entre los defectos vibratorios y las regiones vecinas.

Métodos dinámicos vs. estáticos

Teniendo en cuenta la importancia de las propiedades elásticas para las aplicaciones de diseño e ingeniería, se desarrollan una serie de técnicas experimentales que se pueden clasificar en 2 grupos; Métodos estáticos y dinámicos. Los métodos estáticos (como la prueba de flexión de cuatro puntos y la nanoindentación) se basan en mediciones directas de tensiones y deformaciones durante las pruebas mecánicas. Los métodos dinámicos (como la espectroscopía de ultrasonido y la técnica de excitación por impulso) proporcionan una ventaja sobre los métodos estáticos porque las mediciones son relativamente rápidas y simples e involucran pequeñas tensiones elásticas. Por lo tanto, IET es muy adecuado para materiales porosos y quebradizos como cerámica, refractarios, ... La técnica también se puede modificar fácilmente para experimentos a altas temperaturas y solo se necesita una pequeña cantidad de material.

Precisión e incertidumbre

Los parámetros más importantes para definir la incertidumbre de medición son la masa y las dimensiones de la muestra. Por lo tanto, cada parámetro debe medirse (y prepararse) con un nivel de precisión de 0.1%. Especialmente, el grosor de la muestra es más crítico (tercera potencia en la ecuación para el módulo de Young). En ese caso, se puede obtener una precisión general del 1% prácticamente en la mayoría de las aplicaciones.

Aplicaciones

La técnica de excitación por impulso se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones. Hoy en día, el equipo IET puede realizar mediciones entre −50 ° C y 1700 ° C en diferentes atmósferas (aire, inerte, vacío). IET se utiliza principalmente en investigación y como herramienta de control de calidad para estudiar las transiciones en función del tiempo y la temperatura. Se puede obtener una visión detallada de la estructura cristalina del material mediante el estudio de las propiedades elásticas y de amortiguación. Por ejemplo, se estudia la interacción de dislocaciones y defectos puntuales en aceros al carbono. Además, el daño material acumulado durante un tratamiento de choque térmico puede determinarse para materiales refractarios. Esto puede ser una ventaja para comprender las propiedades físicas de ciertos materiales. Finalmente, la técnica se puede utilizar para verificar la calidad de los sistemas. En este caso, se requiere una pieza de referencia para obtener un espectro de frecuencia de referencia. Los bloques del motor, por ejemplo, pueden probarse tocándolos y comparando la señal grabada con una señal pregrabada de un bloque del motor de referencia.

Teoría

Barra rectangular

Módulo de Young E = 0.9465 (mff2b) (L3t3) T {\ displaystyle E = 0.9465 \ left ({\ frac {mf_ {f} ^ {2}} {b}} \ right) \ left ({\ frac {L ^ {3}} {t ^ {3}}} \ right) T}

con

T = 1 + 6.585 (tL) 2 {\ displaystyle T = 1 + 6.585 \ left ({\ frac {t} {L}} \ right) ^ {2}} E el módulo de Young m la masa ff la frecuencia de flexión b el ancho L la longitud t el grosor T el factor de corrección ¡El factor de corrección solo puede usarse si L / t ≥ 20! Módulo de corte G = 4Lmft2btR {\ displaystyle G = {\ frac {4Lmf_ {t} ^ {2}} {bt}} R}

con

R = 1 + (bt) 24−2.521tb (1−1.991eπbt + 1) −0.060 (bL) 32 (bt − 1) 2 {\ displaystyle R = \ left \ left-0.060 \ left ({\ frac {b } {L}} \ right) ^ {\ frac {3} {2}} \ left ({\ frac {b} {t}} - 1 \ right) ^ {2}} Tenga en cuenta que suponemos que b≥t

G el módulo de corte

ft la frecuencia de torsión m la masa b el ancho L la longitud t el grosor R el factor de corrección

Varilla cilíndrica

Módulo de Young E = 1.6067 (L3d4) mff2T ′ {\ displaystyle E = 1.6067 \ left ({\ frac {L ^ {3}} {d ^ {4}}} \ right) mf_ {f} ^ {2} T ' }

con

T ′ = 1 + 4.939 (dL) 2 {\ displaystyle T '= 1 + 4.939 \ left ({\ frac {d} {L}} \ right) ^ {2}} E el módulo de Young en la masa de la flexión frecuencia d el diámetro L la longitud T ' el factor de corrección ¡El factor de corrección solo se puede usar si L / d ≥ 20! Módulo de corte G = 16 (Lπd2) mft2 {\ displaystyle G = 16 \ left ({\ frac {L} {\ pi d ^ {2}}} \ right) mf_ {t} ^ {2}}

con

ft la frecuencia torsional m la masa d el diámetro L la longitud

Relación de Poisson

Si se conocen el módulo de Young y el módulo de corte, la relación de Poisson se puede calcular de acuerdo con:

ν = (E2G) −1 {\ displaystyle \ nu = \ left ({\ frac {E} {2G}} \ right) -1}

Coeficiente de amortiguamiento

La señal de vibración inducida (en el dominio del tiempo) se ajusta como una suma de funciones sinusoidales amortiguadas exponencialmente de acuerdo con:

Seno amortiguado
x (t) = ∑Ae − ktsin⁡ (2πft + ϕ) {\ displaystyle x \ left (t \ right) = \ sum Ae ^ {- kt} \ sin \ left (2 \ pi ft + \ phi \ right)}

con

f la frecuencia natural δ = kt la disminución logarítmica En este caso, el parámetro de amortiguamiento Q − 1 se puede definir como: Q − 1 = ΔW2πW = kπf {\ displaystyle Q ^ {- 1} = {\ frac {\ Delta W} {2 \ pi W}} = {\ frac {k} {\ pi f}}} con W la energía del sistema

Normas

  • ASTM E1876 - 15 Método de prueba estándar para módulo de Young dinámico, módulo de cizallamiento y relación de Poissons por excitación por impulso de vibración. www.astm.org .
  • ISO 12680-1: 2005 - Métodos de prueba para productos refractarios - Parte 1: Determinación del módulo de Young dinámico (MOE) por excitación por impulso de vibración. ISO
  • DIN EN 843-2: 2007 Cerámica técnica avanzada: propiedades mecánicas de la cerámica monolítica a temperatura ambiente ". Webstore.ansi.org .