effect of grain size and rolling direction on velocity and ... ·...

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจ าป พ.ศ. 2555 17-19 ตลาคม 2555 ชะอ า เพชรบร

1850

ผลกระทบของขนาดเกรนและแนวรดตอความเรวและการลดทอนของคลนเสยงความถสง

Effect of Grain Size and Rolling Direction on Velocity and Attenuation of Ultrasonic Wave

บญเหลอ ขวญศร1 อาษา ประทปเสน2

ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร กรงเทพมหานคร 10140

E-mail: [email protected]@kmutt.ac.th2

Boonhlua Khwansri1 Asa Prateepasen2

Department of Production Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok 10140

E-mail: [email protected] [email protected]

บทคดยอ ผลการทดสอบโดยไมท าลายดวยวธคลนเสยงความถสง (Ultrasonic Testing) ส าหรบกรณทวสดท าจากโลหะ อาจคลาดเคลอนได หากไมค านงถงผลกระทบของทศทางแนวการรดและขนาดของเกรน งานวจยนมวตถประสงคเพอศกษาผลของตวแปร ซงไดแก แนวการรดและขนาดของเกรนในโลหะทมผลตอคณลกษณะของสญญาณทตรวจสอบดวยคลนเสยงความถสง โดยไดอธบายทฤษฏการเคลอนทผานตวกลางของคลนเสยงและยกความสมพนธทางคณตศาสตรระหวางตวแปรกบการเปลยนแปลงคาความเรวและการลดทอนของคลนเสยงความถสง จากนนไดทดสอบกบวสดทดลองประเภทเหลกกลาคารบอนต า เกรด SS400 S420 และ A516 ทไมไดผานกระบวนการอบและผานการอบปกต (Normalizing) ท าการอบชนงานทอณหภมแตกตางกน 3 ระดบเพอท าใหวสดมขนาดเกรนทตางกน ซงในแตละระดบของเกรนจะท าการทดสอบในทงสองทศทางของแนวการรด การตรวจสอบดวยคลนเสยงความถสงใชคลนทงทเปนชนดคลนตามขวาง (Shear Wave) และคลนผว (Surface Wave) ใชหวตรวจสอบทความถ 2.25 เมกะเฮรตซ และ 4 เมกะเฮรตซ ตามล าดบ จากผลการวจยพบวา คาความเรวของคลนเสยงทเปลยนแปลง ไมมความสมพนธกบขนาดเกรนและแนวรดของโลหะ แตคาการลดทอนของพลงงานคลนเสยงเปลยนแปลงไปตามขนาดของเกรนและความแตกตางของแนวรดในโลหะ ประโยชนของงานวจยนคอเพอเพมความแมนย าในการวดความเคนตกคางในงานเชอม และการตรวจสอบรอยความไมตอเนองดวยคลนเสยงความถสง โดยเฉพาะในชนงานทตองผานกระบวนการทางความรอน เชน งานเชอม ค าหลก การลดทอน ขนาดเกรน คลนเสยงความถสง ความเรว แนวรด

Abstract Nondestructive inspection by using an ultrasonic testing in metal may receive inaccurate result when lacking consideration of the effect of rolling direction and grain size. This research aims to study the effects of variables, which are the rolling direction and grain size, on the characteristics of ultrasonic signal. The theory of wave transmission through media was explained. The mathematical equation


1851

relating the variables and the velocity change and attenuation of sound wave were raised. After that the experiments were conducted by using the low carbon steel grades SS400, S420 and A516 with and without normalizing conditions. Three different temperature levels were implemented to the normalizing process in order to vary the grain size. Each grain size was tested in both rolling direction. Ultrasonic waves utilized in the tests were the longitudinal wave and surface wave; the probe frequencies were 2.25 MHz and 4 MHz, respectively. Results showed that the velocity and attenuation of energy wave changed in relation to the grain size and rolling direction of material. The benefit of the research is the ability to increase the accuracy of residual stress measurement in welds and find of a discontinuity by ultrasonic testing, especially in post heat process such as in welding. Keywords: Attenuation, Grain Size, Rolling Direction, Ultrasonic Wave, Velocity 1. บทน า

จากความกาวหนาของเทคโนโลยการตรวจสอบแบบไมท าลาย สงผลใหมการพฒนาและประยกตใชเครองมอรวมทงเทคนคใหมๆ เขามาใชในการตรวจสอบ การเลอกใชเครองมอ วธการและเทคนคทจะใชในการตรวจสอบวสดชนดเดยวกนแตมาจากกระบวนการผลตหรอผานกรรมวธทางความรอนทตางกนกอาจสงผลตอความถกตองแมนย าของผลการตรวจสอบทตางกน จากงานวจยทผานมาไดมการศกษาอทธพลของขนาดเกรนตอความเรวและการลดทอนของคลนเสยงความถสง [1] การศกษาผลกระทบของรพรนและขนาดเกรนตอความเรวและการลดทอนของคลนเสยงความถ สง [2] การศกษาผลกระทบของโครงสรางวสดตอคาสมประสทธการแพรกระจายของคลนเสยง[3] การศกษาผลของขนาดเกรนตอการวดความเคนตกคางดวยคลนเสยงความถสง[4] ผลของโครงสรางจลภาคของเหลกกลาคารบอนต าตอการลดทอนของคลนเสยงความถสง [5]การศกษาผลของขนาดเกรนตอคณสมบตทางกลของวสด[5] การศกษาถงผลกระทบของแนวรดตอโครงสรางแนวเชอมและคาความแขงของวสด[6] และการหาคาเฉลยของขนาดเกรนจาก echo height ของคลนเสยงความถสง[7] งานวจยทผานมานนไดมการศกษาเฉพาะเหลกกลาคารบอนต า เกรด SS400 เทานน ยงไมไดมการศกษากบเหลกเกรดอนๆ ทมการใชงานจรงในอตสาหกรรม และยงไมไดศกษาผลของแนวรดของโลหะ แตอยางไรกตามงานทเกยวของกบการรบความรอน เชน งานเชอม งานแลกเปลยนความรอน คาความเรวและการลดทอนของคลนเสยงจะเปลยนไปตามโครงสรางของวสดดวย ดงนนในงานวจยน

จะศกษาผลกระทบของขนาดเกรน (Grain Size) และ แนวรด (Rolling Direction) ของโลหะตอความเรวและ การลดทอนของคลนเสยงความถสง รวมทงเพอน าขอมลทไดจากการทดลองมาวเคราะหผล ใหเปนประโยชนตอการเพมความแมนย าในการตรวจสอบและเพอผลกดนใหมการพฒนาใชเทคนคใหมๆในการตรวจสอบดวยคลนเสยงความถสง 2. ทฤษฎ ใ น ง า น ว จ ย น จ ะ ใ ช ห ล กก า ร ร บ ส ง (Through Transmission Method) โดยใชหวตรวจสอบจ านวน 2 หววางในระยะหางทเหมาะสม เพอแยกกนท าหนาทเปนตวสงคลนเสยง และตวรบคลนเสยง หวตรวจสอบยดตดกบลมมมเอยง ท าใหเกดคลนทผวชนทดสอบ ซงจะกลายเปนคลนผวเนองจากการเคลอนทของคลนจะอยบรเวณผวชนทดสอบ ทฤษฏทเกยวของกบการทดลองน แบงเปน 3 สวน ดงน 2.1 ความเรวของคลนเสยงความถสง

ความเรวของคลนเสยง เปนคณสมบตเฉพาะของค ลนแต ล ะ ชน ด ซ ง ก ร ะท าต อมวลของว สด แ ล ะเปลยนแปลงจากพลงงานกลในรปของการสนสะเทอน โดยเสยงจะแผกระจายไปรอบๆ จดก าเนดในลกษณะของคลน วสดตวกลางทคลนเสยงเดนทางผานแตละชนดจะมความเรวทแตกตางกนขนอยกบชนดของตวกลาง และชนดของคลนเสยง ในการทดลองนใชคลนเสยงตามขวาง และคลนผว โดยมสมการความเรวคลนเสยงตามขวาง ดงน


1852

)1(21

E

VT (1)

โดยท LV คอ ความเรวคลนเสยงตามยาว

E คอ มอดลสของยงส คอ ความหนาแนน และ คอ อตราสวนปวซอง 2.2 การลดทอนของคลนเสยงความถสง

เมอเสยงเดนทางผานรอยตอระหวางเกรน ท าใหคลนเสยงเกดการสะทอนกลบและหกเห ซงกคอการลดทอนพลงงานของคลนเสยง โดยทสมประสทธการลดทอน ( ) มความสมพนธระหวางความยาวคลนเสยง (λ) และขนาดของเกรน (D) ดงน

กรณ λ D ; 43rr fDC

กรณ λ D ; 2pp DfC

กรณ λ D ; D

Cdd

โดยท rC คอ คาคงทของ Rayleigh scattering

pC คอ Phase Scatteringและ dC คอ Diffuse Scattering

การลดทอนพลงงาน การลดทอนของพลงงาน สามารถเขยนอยในรปสมการ

)(exp axoAA (2)

โดย A คอ แอมปลจดของคลนเสยงทต าแหนง x

oA คอ แอมปลจดของคลนเสยงทจดเรมเตน (x=0) คอ สมประสทธการลดทอนพลงงาน หนวยของ α

คอ เนเปอร(Neper) / ระยะทาง 2.3 ผลกระทบของคลนเสยงความถสงตอขนาดเกรน

ภายในเนอโลหะ อนภาคของเหลกเปนการจบตวเขาดวยกนของเกรน หากขนาดเกรนภายในเนอโลหะมขนาดใหญมากๆ จะท าใหมผลกระทบตอคลนเสยงความถสงทสงเขาไปในเนอวสด ซงจะเกดการสะทอนของคลนเสยงตรงบรเวณรอยตอระหวางเกรนหรอขอบเกรน มผลท าใหคลนเสยงความถสงมการกระเจงและออนก าลงลง การกระเจงของคลนเสยงความถสงตรงบรเวณรอยตอของขอบเกรน เรยกวา การลดทอนโดยการกระเจง ซงสามารถปรากฏเปนคลนสะทอนบนหนาจอแสดงผลของ

เครองวดได กลาวโดยสรปเมอคลนเสยงความถ สงเคลอนทผานตวกลางใดๆ คลนเสยงทผานออกมาจะออนก าลงลงเนองจากการเกดปรากฏการณสองอยาง คอ การบานออกของล าคลนเสยง และการกระเจงของคลนเสยงความถสง 3. การทดลอง การทดลองไดแบงออกเปน 3 สวน ดงน 3.1 การอบชนงานเพอใหขนาดเกรนตางกน

การอบชนงานเพอใหขนาดเกรนตางกน มขนตอนยอย 2 ขนตอน คอ 3.1.1การเตรยมชนงานส าหรบการอบปกต (Normalizing)

ในการวจยใชวสดเหลกกลาคารบอนต า จ านวน 3 ชนด คอ SS400 S420 และ ASTM A516 ทงตามยาวแนวรดและตามขวางแนวรด ตดชนงานดวยเครองเลอยสายพานกงอตโนมต และมระบบน าหลอเยน ขนาดชนงานทใชในการทดลองคอ ความกวาง 50 มม.ความยาว 300 มม. ความหนาประมาณ 19.1 –25.4 มม. จ านวน 8 ชนตอชนดของวสด 3.1.2 เงอนไขการอบปกต

หลงตดชนงานตามขนาดทตองการ จงออกแบบเงอนไขในการอบปกต โดยแบงชนงานออกเปน 4 ชด โดยมอตราการใหความรอนทคงท เมออณหภมถงระดบทตองการ จงแชชนงานทงไวทอณหภมทตองการเปนเวลา 60 นาท แลวจงน าชนงานออกมาปลอยใหเยนตวในอากาศจนถงอณหภมหอง โดยเงอนไขการทดลองดงตารางท 1

ตารางท 1 เงอนไขการทดลอง

ชนงาน ระดบอณหภม (°C)

เวลาในการอบ (นาท)

ชดท 1 - - ชดท 2 850 60 ชดท 3 980 60 ชดท 4 1160 60

3.2 การวดขนาดเกรน ท าการตดชนงานทผานการอบ ดวยเครองตด และ

Automatic mounting press-Buehler Simpliment 1000


1853

ใหมขนาดประมาณ 5 x 15 มม.ท าการหลอเรซน และขดชนงานเพอตรวจสอบโครงสราง ท าการวดขนาดเกรนบรเวณผวหนาของชนงานทดสอบทงตามยาวแนวรด และตามขวางแนวรดทไมผานการอบ และชนงานทผานการอบปกต โดยใชกลองถายรปโครงสรางจลภาค รน Leica DM 2500 M สมต าแหนงการถายรป จ านวน 5 รป ตอ 1 ชนงาน เพอน ามาวดขนาดเกรนโดยใชโปรแกรม Leica MW 3.3 การหาความเรวและการลดทอนของคลนเสยง

การทดลองจะประกอบชดชเขากบหวตรวจสอบและใสสารชวยสมผสระหวางหวตรวจสอบกบชและระหวางชกบชนงาน จากนนท าการสอบเทยบกบชนงานมาตรฐาน(Calibration Block ,V1) ของการตรวจสอบดวยคลนเสยงความเสยงสงหลงจากทไดท าการสอบเทยบหวตรวจสอบ จงน ามาท าการทดสอบดวยชนงานทไดเตรยมไวส าหรบการทดสอบ การทดสอบจะท าการวดคาความเรวและการลดทอนกบชนงานชดทไมผานการอบ เพอบนทกเปนคาอางอง แลวน ามาเปรยบเทยบกบคาความเรวและการลดของของชนงานอก 3 ชดทผานกระบวนการอบปกต

4. ผลการทดลอง ผลการทดลองไดแบงออกเปน 3 สวน ดงน 4.1 ผลการวดขนาดเกรน

รปท 1 ขนาดเกรนของชนงาน SS400 เทยบตามยาวแนวรดและ

ตามขวางแนวรด

รปท 2 ขนาดเกรนของชนงาน S420 เทยบตามยาวแนวรดและ

ตามขวางแนวรด

รปท 3 ขนาดเกรนของชนงาน S420 เทยบตามยาวแนวรดและตามขวางแนวรด

จากรปขนาดเกรนของชนงานเทยบตามยาวแนวรดและตามขวางแนวรด พบวาขนาดเกรนมขนาดทใกลเคยงกน โดยมแนวโนมขนาดเกรนตามขวางแนวรดมขนาดเกรนทเลกกวาตามยาวแนวรดเลกนอย เนองจากการเรยงตวของเกรนมลกษณะทเรยงตวเปนแนวยาวตามแนวรด แตเนองจากเหลกทใชเปนเหลกรดรอน ท าใหขนาดเกรนของเหลกในทศตามยาวแนวรดและขวางแนวรดไมตางกนมากนก เมอน ามาอบอกครงท าใหขนาดเกรนของเหลกตามยาวแนวรดและตามขวางแนวรดกมขนาดทใกลเคยงกน


1854

4.2 ผลการวดความเรวของคลนเสยงความถสง 4.2.1 ผลการวดความเรวของชนงาน SS400

รปท 4 เปรยบเทยบคาความเรวของคลนเสยงในชนงานทดสอบ

SS400 ตามยาวแนวรดและตามขวางแนวรด

4.2.2 ผลการวดความเรวของชนงาน S420



4.2.2 ผลการวดความเรวของชนงาน A516


A516 ตามยาวแนวรดและตามขวางแนวรด

จากรปการทดลองซงแสดงคาความเรวของคลนเสยงความถสงของชนงานยาวแนวรด และตามขวางแนวรด พบวาทงความเรวของคลนเสยงเมอสงผานชนงานจะมคาทไมแนนอน โดยไมมความสมพนธกบขนาดของเกรนทเปลยนแปลง สอดคลองกบสมการท 1 ซง ความเรวของคลนตามขวางจะขนกบตวแปรคอ คายงโมดลส (Young's modulus) คาความหนาแนน (Density) และอตราสวนปวซอง (Poisson’ Ratio) ของวสด รวมทงไมไดมผลมาจากแนวรดของโลหะ

4.3 ผลการวดการลดทอนของคลนเสยงความถสง4.3.1 ผลการวดการลดทอนของชนงาน SS400

รปท 7 เปรยบเทยบคาการลดทอนของคลนเสยงในชนงานทดสอบ


4.3.2 ผลการวดการลดทอนของชนงาน S420

รปท 8 เปรยบเทยบคาการลดทอนของคลนเสยงในชนงานทดสอบ

S420 ตามยาวแนวรดและตามขวางแนวรด


1855

4.3.3 ผลการวดการลดทอนของชนงาน A516

รปท 9 คาการลดทอนของคลนเสยงในชนงานทดสอบ A516

ตามยาวแนวรด

จากกราฟแสดงคาเปรยบเทยบการลดทอนของชนงานทดสอบ โดยพจารณาจากคาเปอรเซนตความสงของคลนเสยง พบวาเปอรเซนตความสงของคลนเสยงในชนงานตามขวางแนวรดมคาเปอรเซนตความสงของคลนเสยงนอยกวาในชนงานตามยาวแนวรด ทงนเนองจากขนาดเกรนตามขวางแนวรดมขนาดทโตกวาเกรนตามยาวแนวรด แตบางคาทไดยงมความผดเพยนไปบางเลกนอย อาจเนองมาจากการผดพลาดในการตรวจสอบ

5. สรปผลการวจย จากการวเคราะหผลการวจย ขนาดเกรนและแนวรดของโลหะตอความเรวและการลดทอนของคลนเสยงความถสง สามารถสรปไดดงน 5.1.1 จากการวเคราะหขนาดเกรนของชนงานทดสอบทไมผานการอบและผานการอบปกต(Normalizing) ทอณหภมแตกตางกน 3 ระดบ พบวาจากการอบชนงานทอณหภมสงขนสงผลใหขนาดเกรนมการขยายตวมากขน และพบวาชนงานทยงไมผานการอบมขนาดเกรนทโตกวาชนงานทผานการอบทอณหภม 850 องศาเซลเซยส ซงเปนผลมาจากการอบชนงานสงผลใหเกดเกรนใหม ทมขนาดเลก จงสงผลใหขนาดเกรนของชนงานทดสอบทผานการอบทอณหภม 850 องศาเซลเซยส มขนาดเกรนเลกกวาชนงานทไมไดผานกระบวนการอบปกต 5.1.2 จากการวเคราะหผลของขนาดเกรนตอคาความเรวของคลนเสยงความถสง ขนาดเกรนไมมผลตอคาความเรวของคลนเสยงความถสง จากผลการทดลอง

พบวาไมวาขนาดเกรนจะโตขน กไมมความสมพนธกบความเรวคลนเสยงความถสง ซงเปนไปตามทฤษฏทวาดวยความเรวของคลนเสยงความถสงจะขนอยกบตวแปร คอ คายงโมดลส คาความหนาแนน และอตราสวนปวซอง ของวสด 5.1.3 จากการวเคราะหผลของขนาดเกรนตอคาการลดทอนของคลนเสยง ขนาดเกรนมผลตอคาการลดทอนของคลนเสยงความถสง จากการทดลองพบวาเกรนทมขนาดใหญขน ท าใหคาคาพลงงานของคลนเสยง (Echo High) จะมคาลดต าลง ซงสอดคลองกบทฤษฎการลดทอนของคลนเสยงความถสงทคาสมประสทธการลดทอนของคลนเสยงมคาแปรผนตรงกบขนาดเกรน 5.1.4 จากการวเคราะหทศทางของการรดตอคาความเรวของคลนเสยงความถสง ทศทางของการรดไมสงผลตอความเรวของคลนเสยงความถสง เนองจากคาทอานไดจากการทดสอบไมเปนแนวโนมตามขนาดเกรน อยางชดเจน ซงจากทฤษฏคาความเรวของคลนเสยงความถสงจะขนอยกบตวแปรคอ คาโมดลสของยง คาความหนาแนน และอตราสวนปวซองของวสด 5.1.5 จากการวเคราะหทศทางของการรดตอการลดทอนของคลนเสยงความถสง ทศทางการรดมผลตอคาการลดทอนของคลนเสยงความถสง จากการทดลองพบวาชนงานตามขวางแนวรด ซงมขนาดเกรนเลกกวาชนงานตามยาวแนวรดเลกนอย สงผลใหคาการลดทอนของชนงานตามยาวแนวรด มคาสมประสทธการลดทอนทมากกวาชนงานตามขวางแนวรด ซงสอดคลองกบทฤษฎการลดทอนของคลนเสยงความถสงทคาสมประสทธการลดทอนของคลนเสยงมคาแปรผนตรงกบขนาดเกรน 5.1.6 งานวจยนมประโยชนคอเพอเพมความแมนย าในการวดความเคนตกคางในงานเชอม และการตรวจสอบรอยความไมตอเนองดวยคลนเสยงความถสง โดยเฉพาะในชนงานทตองผานกระบวนการทางความรอน เชน งานเชอม

กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ ดร.ใหม นอยพทกษ ทใหค าแนะน าทเปนประโยชน คณปรเวศร ปรดาวภาต และบรษทศนยวจยโลหะวทยา แอลพเอน (ประเทศไทย) จ ากด ทใหความชวยเหลอสนบสนนอปกรณและเครองมอ


1856

เอกสารอางอง [1] A. Badidi Boudaa, S. Lebailib, A. Benchaalaa ,

2003. Grain size influence on ultrasonic velocities and attenuation, NDT&E international 361-5

[2] D. Laux , B Cros , G Despaux , D Baron , 2002. Ultrasonoc study of UO2 : effects of porosity and grain size on ultrasonic attenuation and velocities, Journal of Nuclear Materials 300 : 192-197

[3] ฤทธชย เภาเนยม และ อาษา ประทปเสน, 2550, ผลกระทบของโครงสรางวสดตอคาสมประสทธการแพรกระจายของคลนเสยง, วทยานพนธ วศ.ม. วศวกรรมอตสาหการ, มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร.

[4] ปรชา ข าเสม อาษา ประทปเสน ใหมนอยพทกษ, 2548, ผลของขนาดเกรนตอการวดความเคนตกคางดวยคลนเสยงความถสง, วทยานพนธ วศ.ม. วศวกรรมอตสาหการ, มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

[5] Bongyoung Ahn and Seung Seok Lee , Effect of Microstructure of Low Carbon Steels on Ultrasonic Attenuation

[6] Viola L.Acoff , Shenavia Wilkerson , Mario Arenas, 2000.The effect of rolling direction on the weld structure and hardness of gamma- TiAl sheet material, ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol.47, no.3

[7] Ismail H. Sarpu na, M. Selami Kılıc kayab, 2006. Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first back wall echo height measurement, NDT&E international 39 : 82-86

[8] อาษา ประทปเสน, 2547. การทดสอบโดยไมท าลายในงานเชอมและงานวจย. ,มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร, กรงเทพฯ, หนา164-177

[9] ASTM 112-96 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size

effect of grain size and rolling direction on velocity and ... ·...

Documents