Ultrasonic velocity and attenuation in carbon steel specimens 

Brenda Buitrago, Ignacio Irausquín y Johnny Mendoza 

Departamento de Tecnología Industrial, Universidad Simón Bolívar, Sede del Litoral.
Caracas 1080, Venezuela. E-mail: bbuitrag@usb.ve, irausqui@usb.ve, jmendoza@usb.ve 

Abstract 

Materials testing and inspection by means of the ultrasonic nondestructive method, has become an useful and sensitive tool to determine its acoustic properties. By virtue of this, the purpose of the following study was to measure the longitudinal ultrasonic velocity and to estimate the ultrasonic attenuation for three carbon steel specimens. This ultrasonic characterization was done by means of the pulse-echo technique using transducers with a diameter of 0.375” (9.525 mm) and center frequencies of 1.5, 2.25, 5, 7.5 and 10 MHz, besides glycerin as coupling. Results showed an insignificant change in the frequency spectrum of each specimen and significant changes of its attenuation. Likewise differences in velocity and attenuation were found between the specimens, proportionally to its carbon concentration. 

Key words: 

Ultrasonic velocity, ultrasonic attenuation, carbon steels. 

Velocidad y atenuación ultrasónica en muestras
de acero al carbono 

Resumen 

La inspección y evaluación de materiales mediante el método no destructivo ultrasónico se ha convertido en una herramienta muy útil y sensible para determinar las propiedades acústicas de los mismos. En virtud de ello, este estudio ha tenido por objeto la medición de la velocidad ultrasónica longitudinal y la estimación de atenuación ultrasónica para tres muestras de acero al carbono. Esta caracterización ultrasónica se hizo mediante la técnica pulso-eco de contacto directo utilizando transductores de 0,375” (9,525 mm) de diámetro con frecuencias centrales de 1,5; 2,25; 5; 7,5 y 10 MHz, además de glicerina como medio acoplante. Los resultados mostraron una variación insignificante de la velocidad ultrasónica en el espectro de frecuencia de cada muestra y variaciones significativas de su atenuación. Así mismo se encontraron diferencias de velocidad y atenuación entre las muestras, proporcionales a su concentración de carbono. 

Palabras clave: 

Velocidad ultrasónica, atenuación ultrasónica, aceros al carbono. 

Recibido el 23 de Julio de 2003 

En forma revisada el 07 de Marzo de 2004 

1. Introducción 

La velocidad ultrasónica es una propiedad particular de los materiales que ha sido ampliamente utilizada para su caracterización. Este parámetro se ha empleado para estimar, por ejemplo, el tamaño de grano en acero inoxidable austenítico [1] y el módulo de elasticidad en materiales porosos [2], entre otros. Por otra parte, las ondas ultrasónicas se propagan en un medio homogéneo a una velocidad y atenuación propias para cada material. Así pues, ambas propiedades (velocidad y atenuación) pueden ser empleadas para identificar la existencia de defectos en el interior de un determinado material. La determinación de estos parámetros, que pueden ser considerados básicos y elementales, debe hacerse con sumo cuidado y en su medición deben ser consideradas numerosas fuentes de error, tan significativas, que algunas veces ocultan las magnitudes de interés, restando validez al método de medición y sus resultados [3]. 

En medios homogéneos, las técnicas de medición de velocidades de propagación deben cuidar principalmente la precisión que es posible alcanzar como resultado de los errores asociados a la determinación de las distancias de propagación (camino acústico) y el tiempo empleado en recorrer la distancia asociada (tiempo de vuelo). La situación es diferente cuando el medio es no-homogéneo, ya que en este caso se presenta el fenómeno de la dispersión. Es por ello que se debe distinguir entre la velocidad de propagación que el medio presenta para cada frecuencia (velocidad de fase) y la velocidad con que se propaga un grupo de ondas (velocidad de grupo). 

P. Palamichamy et al. [1994] realizaron mediciones de velocidad ultrasónica empleando ondas longitudinales y transversales en muestras de acero inoxidable austenítico, con el fin de hacer una estimación aproximada del tamaño de grano. Tales mediciones fueron realizadas aplicando el método de pulso-eco de superposición, que se basa en la recolección de señales sucesivas de ecos de reflexión, que son superpuestas en el osciloscopio, ajustando el eje de las abscisas con el portador de frecuencias, cuyo período es el tiempo de vuelo entre las señales de interés. De esta manera, mientras una señal aparece en el primer barrido del osciloscopio, la siguiente aparece en el próximo barrido. Posteriormente se miden con precisión los espesores de las muestras, obteniendo de este modo la correspondiente velocidad ultrasónica a partir de los datos. Además de este procedimiento descrito existen otras técnicas que permiten realizar un estudio de velocidades ultrasónicas longitudinales. 

Para la realización de este trabajo se seleccionaron tres muestras de acero al carbono con el objeto de caracterizar el comportamiento de la velocidad longitudinal de señales ultrasónicas. Dichas muestras fueron caracterizadas mediante el ensayo no destructivo ultrasónico, empleando la técnica de pulso-eco por contacto directo y utilizando transductores marca Krautkramer de banda ancha de 0,375 pulgadas (9,525 mm) de diámetro y con frecuencia central en el intervalo de 1,5 a 10 MHz. Se consideraron como variables acústicas relevantes, la velocidad de propagación de la onda ultrasónica longitudinal y la atenuación de estas señales, cuando ocurre su interacción con el material. Los cálculos correspondientes a estas variables acústicas fueron desarrollados utilizando como base el método de Sachse y Pao [4]. 

2. Parte Experimental 

2.1. Preparación de las muestras 

Las muestras fueron obtenidas de barras de acero con sección rectangular de tres tipos diferentes de acero al carbono con tratamiento térmico de recocido. Cada una de las muestras fue cortada y mecanizada de acuerdo a las dimensiones mostradas en la Figura 1. 

El acabado superficial en las tres muestras fue el mismo, obteniéndose un valor promedio de rugosidad de 1,1 µm para cada una de las mismas. Dicho valor fue obtenido de medidas efectuadas con un rugosímetro de contacto marca Mitutoyo, modelo SJ-301. Debido a la similitud en la rugosidad de las probetas, no se consideró su influencia sobre los resultados. 

Puesto que las muestras fueron fabricadas de tres tipos de acero al carbono (con diferentes composiciones químicas), se procedió a identificarlas como se indica a continuación: 

• Muestra A: Probeta de acero AISI 1020 

• Muestra B: Probeta de acero AISI 1030 

• Muestra C: Probeta de acero AISI 1040 

Composición química de las muestras: 

La composición química de cada una de las muestras puede ser apreciada en las Tablas 1, 2 y 3, respectivamente. Estos datos fueron suministrados por el proveedor del material. 

En la Tabla 1, se puede apreciar la composición química de la muestra A. Este material es generalmente empleado en componentes en donde la dureza no representa un factor crítico; tal es el caso de láminas de sección transversal. 

3. Resultados 

En base al arreglo experimental de la Figura 2, la velocidad de fase y la atenuación fueron obtenidas utilizando las ecuaciones 2 y 3. Dichos resultados se muestran en la Figura 3. 

En esta figura se puede apreciar el espectro de velocidad correspondiente a los diferentes transductores utilizados para la medición sobre cada una de las muestras. De acuerdo a la gráfica mostrada de velocidad ultrasónica longitudinal; para una muestra de acero al carbono AISI 1020 (Muestra A) el valor promedio de velocidad corresponde a 5892,2 ± 1,9 m/s; en el caso del acero AISI 1030 (Muestra B) el valor de velocidad ultrasónica es aproximadamente 5933,6 ± 4,2 m/s y para la muestra de acero AISI 1040 (Muestra C) la velocidad longitudinal ultrasónica alcanzó un valor aproximado de 5975,8 ± 4,4 m/s. 

La Figura 4 muestra los valores de atenuación obtenidos para las diferentes muestras empleando las ecuaciones (2) y (3). En esta gráfica se puede apreciar que la muestra C correspondiente al acero AISI 1040 es la que sufre la mayor atenuación de la señal. En los tres casos (Muestras A, B y C) se observa un incremento del coeficiente de atenuación a medida que se incrementa la frecuencia.