Caracterización mediante ultrasonido de la anisotropía elástica y de la textura de los materiales

Abstract

Dado que la propagación de las ondas acústicas depende de las propiedades mecánicas de los materiales, el ultrasonido es una técnica ampliamente utilizada para la determinación de las características elásticas del sólido. Además, la versatilidad del método permite llevar a cabo ensayos en distintas direcciones, lo que resulta particularmente útil para la caracterización de la anisotropía elástica, es decir, la dependencia espacial de la elasticidad. Esta información no es fácilmente accesible con ensayos mecánicos convencionales, pero además el ultrasonido se aplica sin requerir la destrucción de la muestra. El primer objetivo de esta tesis consiste en desarrollar un método ultrasónico para la caracterización de propiedades elásticas, lo que incluye el desarrollo teórico de modelos de mecánica del continuo para la descripción del fenómeno ondulatorio; el diseño, la construcción y la automatización de un dispositivo para propagar ondas en distintas direcciones (goniometría ultrasónica); la optimización y construcción de transductores ultrasónicos adecuados al experimento; y la inversión de las señales ultrasónicas a través de un modelo de optimización implementado en arquitectura de unidades de procesamiento gráfico (GPU). El segundo objetivo del trabajo consiste en abordar modelos de homogeneización elástica que establecen relaciones inyectivas entre las propiedades elásticas efectivas y la distribución de orientaciones cristalinas (textura cristalográfica). Como las longitudes de onda utilizadas en ultrasonido suelen ser mucho más grandes que el tamaño de grano, se muestra que la goniometría ultrasónica sirve para determinar las propiedades elásticas macroscópicas y, por consiguiente, bajo ciertas condiciones, la textura cristalográfica. El trabajo muestra que la determinación de la textura cristalográfica por medio de ultrasonido representa una alternativa de bajo costo a las técnicas convencionales, y que además, gracias a la gran penetración de las ondas elásticas, la información obtenida es representativa del volumen.

Since the propagation of acoustic waves depends on the mechanical properties of the materials in which they travel, ultrasonic techniques are widely used for the determination of the elastic characteristics of the solid. Moreover, the method’s versatility permits to perform tests while varying the direction of incidence, which is particularly useful for the characterization of the elastic anisotropy, i.e., the spatial dependence of the elasticity. This information cannot be easily obtained by conventional mechanical testing, moreover, ultrasonic testing can be performed without destroying the sample. The first objective of this thesis consists in developing an ultrasonic method for the characterization of elastic properties, which includes the theoretical development of continuum mechanics for the description of the wave phenomenon; the design, construction, and automation of a device for the propagation of waves at different directions (ultrasonic goniometry); the optimization and construction of adequate ultrasonic transducers for the experiment; and the inversion of ultrasonic signals through an optimization model implemented for the architecture of graphic processing units (GPU). The second aim of this work consists in approaching elastic homogenization models for the establishment of injective relations between effective elastic properties and the crystallite orientation distribution function (crystallographic texture). Since the wavelengths employed in ultrasound tend to be much larger than the grain size, it is shown that ultrasonic goniometry is useful for the determination of the macroscopic elastic properties, and, therefore, under certain conditions, it is also useful for the determination of the crystallographic texture. Finally, this work shows that the ultrasonic method presented here represents a low cost alternative to conventional techniques, and, moreover, due to the large penetration of elastic waves, the obtained results are representative of the insonified volume.