Propagación de ondas acústicas en medios con defectos lineales

Abstract

De manera general, el principal objetivo de esta tesis es investigar el efecto de defectos lineales en las propiedades mecánicas de los materiales. Para ello, se estudia la sensibilidad del método acústico Generación del segundo armónico (SHG, por sus siglas en inglés) ante cambios en la densidad de dislocaciones en metales sometidos tanto a tratamientos térmicos y mecánicos, como a ensayos mecánicos estándar de tensión y flexión. Se busca además explorar la utilidad del método para ser aplicado en materiales en funcionamiento a partir de mediciones in-situ. En primer lugar, se estudian tres métodos acústicos de caracterización de materiales: Espectroscopía de resonancia ultrasónica lineal y no lineal (RUS y NRUS, respectivamente y por sus siglas en inglés) y SHG. Los parámetros acústicos obtenidos se relacionan con la densidad de dislocaciones ( ) de los materiales en que son aplicados, y los resultados son comparados con la densidad de dislocaciones medida a partir de análisis de patrones de Difracción de rayos-x (XRD). Se muestra que los métodos acústicos no destructivos estudiados son considerablemente más precisos en la determinación de cambios en que métodos convencionales y destructivos, como XRD. Luego, se concluye que los métodos acústicos no lineales (NRUS y SHG) son más sensibles a cambios en la densidad de dislocaciones que el método lineal RUS y que, en particular, el método SHG tiene un buen compromiso entre simplicidad de aplicación del método y sensibilidad. En segundo lugar, se estudia el parámetro acústico no lineal obtenido a partir del método SHG en barras de aluminio que han sido previamente sometidas a ensayos de flexión de tres puntas. Se estudia la distribución de dislocaciones en distintos puntos de las barras, concluyendo que efectivamente SHG permite identificar zonas con mayor o menor contenido de dislocaciones en una misma muestra de material, que ha recibido esfuerzos de compresión y tensión en diferentes zonas. Esto puede ser especialmente útil si pensamos en materiales deformados de manera no evidente, al contrario de aquellos deformados por ensayos mecánicos, en que un sondeo utilizando SHG podría dar información sobre el nivel de deformación en distintas zonas del material. Por último, el método SHG es aplicado in-situ durante ensayos de endurecimiento por deformación a partir de reiteradas tracciones. El objetivo es explorar el comportamiento del parámetro acústico entregado por SHG en los regímenes elásticos y plásticos del material. Se observa que el parámetro acústico permanece constante mientras las cargas aplicadas en las tracciones se mantienen en el régimen de respuesta elástica. Al pasar al régimen plástico, su valor cambia de manera permanente, corroborando su fuerte dependencia con la densidad de dislocaciones, o de forma más precisa, con la creación de dislocaciones al producirse cambios permanentes en el material.