SRAS

La espectroscopia acústica con resolución espacial ( SRAS , por sus siglas en inglés) es una técnica de caracterización microestructural-cristalográfica no destructiva mediante microscopía acústica , comúnmente utilizada en el estudio de materiales cristalinos o policristalinos. Esta técnica proporciona información sobre la estructura y la orientación cristalográfica del material. ^{[ 1 ]} Tradicionalmente, la información proporcionada por la SRAS se ha obtenido mediante técnicas de difracción en microscopía electrónica, como la EBSD . La técnica fue patentada en 2005 ( Patente Europea 1910815  ).

La técnica SRAS mide la velocidad de la onda acústica superficial a través de una muestra; a su vez, la velocidad de la onda acústica superficial (SAW) es función del estado del material, incluyendo parámetros como la orientación cristalográfica, las constantes elásticas , la temperatura y la tensión.

En una medición SRAS, como en la mayoría de las técnicas de ultrasonido láser , se utilizan dos láseres: uno para la generación de ondas acústicas y otro para su posterior detección. Para la generación de ondas acústicas, se proyecta sobre la superficie de la muestra una rejilla de amplitud óptica, iluminada por un láser de bombeo de pulso corto (típicamente ~1 ns). La luz incidente se absorbe termoelásticamente, creando ondas acústicas superficiales, como las ondas de Rayleigh . Dado que el pulso láser contiene un amplio rango de frecuencias, solo se generarán aquellas que coincidan con el espaciado de la rejilla y la velocidad acústica de ese punto de la muestra. Mediante un segundo láser de onda continua, estas ondas acústicas superficiales se pueden medir a través de diversas técnicas de interferometría. La detección se suele lograr mediante la deflexión del haz óptico.

Como las ondas de Rayleigh no son dispersivas, la velocidad de fase de la onda acústica se puede encontrar mediante: ${\displaystyle v=f\lambda }$

dónde${\displaystyle \lambda }$es la distancia entre las franjas de la rejilla proyectadas sobre la superficie de la muestra y${\displaystyle f}$es la frecuencia dominante del paquete de ondas , que se encuentra mediante la transformada rápida de Fourier .

Un ejemplo de una señal SRAS en el dominio del tiempo.

Al aplicar la transformada rápida de Fourier (FFT) a la señal en el dominio del tiempo, se revela la velocidad de la onda acústica superficial (SAW).

Dado que la medición analiza la frecuencia del paquete de ondas, que no varía a lo largo de la longitud de propagación, la velocidad de la onda acústica superficial (SAW) medida está determinada únicamente por las propiedades de la muestra en el área donde se visualiza el patrón de rejilla, a diferencia de las mediciones de tiempo de vuelo más tradicionales , que se ven influenciadas por las propiedades de la muestra a lo largo de la longitud de propagación. Esto hace que la técnica SRAS sea robusta e inmune a los efectos de aberración y dispersión de la microestructura.

Al escanear la muestra mediante barrido raster, realizando mediciones en varios puntos de la superficie, se pueden generar imágenes de varios megapíxeles de la velocidad de la onda acústica superficial (SAW), lo que proporciona mapas microestructurales detallados. En muestras con un buen acabado superficial, las mediciones se pueden realizar sin promediar, lo que permite escanear las muestras rápidamente. En teoría, esto significa que la velocidad de adquisición está limitada únicamente por la frecuencia de repetición del láser de bombeo; las frecuencias de repetición de los láseres modernos pueden superar los 10  kHz. Dado que las mediciones no requieren una cámara de vacío ni un acoplante acústico, existen pocas restricciones, más allá del límite de las etapas de escaneo, en cuanto al tamaño de la muestra que se puede analizar. La anisotropía elástica de la mayoría de los materiales de ingeniería implica que la respuesta acústica es función de la dirección de carga. Por lo tanto, existe un mapa de velocidad único para cada dirección de propagación de la onda acústica superficial. Es posible combinar varios mapas de velocidad para mejorar el contraste entre los granos.

Mapa de velocidades, ondas que se propagan de arriba hacia abajo.

Mapa de velocidades, ondas que se propagan de izquierda a derecha.

Mapa vectorial, obtenido al combinar los dos mapas de velocidad.

La combinación de mapas de velocidad ortogonales en un mapa vectorial resalta la anisotropía de la microestructura y mejora el contraste entre los granos en esta muestra de titanio 685 de grano grande.

Se puede determinar una superficie de lentitud acústica para cada píxel propagando la onda acústica en varias direcciones. Una vez medida la velocidad de la onda acústica superficial (SAW) en múltiples direcciones, el desafío consiste en convertir esta información en la medición de la orientación cristalográfica. El cálculo directo de la orientación a partir de la velocidad es un problema complejo. Sin embargo, el cálculo numérico de la velocidad de la SAW en función de la velocidad de la SAW es relativamente sencillo, como lo describió Farnell por primera vez. Por lo tanto, se puede precalcular una base de datos de posibles superficies de lentitud y compararla con los valores de medición. Para cada píxel de medición, la orientación viene dada por la orientación de la superficie de velocidad precalculada que mejor se ajusta a los datos medidos. Estos mapas pueden describir espacialmente la orientación cristalina del material analizado y pueden utilizarse para examinar la microtextura y la morfología de la muestra. La técnica es aplicable a cualquier estructura cristalina; sin embargo, la isotropía transversal impide determinar la orientación completa en materiales hexagonales, como el titanio . ^{[ 2 ]}

Para calcular la velocidad de onda acústica superficial (SAW) prevista de la muestra, es necesario conocer la densidad del material y las constantes elásticas. Estas últimas se miden habitualmente mediante técnicas ultrasónicas, como la espectroscopia ultrasónica resonante , cuyos valores están bien establecidos para la mayoría de los materiales de ingeniería comunes. Sin embargo, es posible intentar resolver el problema inverso completo para determinar tanto las constantes elásticas como la orientación cristalográfica a partir únicamente de la velocidad de SAW medida. ^{[ 3 ]}

(001) avión

(101) avión

(111) plano

Velocidades de ondas acústicas superficiales (SAW) calculadas en los tres planos principales del silicio.

A partir de los datos de orientación, se puede obtener abundante información que ayuda a comprender la microestructura de la muestra y su historial de procesamiento. Los avances recientes incluyen la comprensión de: la textura previa de las fases originales a temperaturas elevadas; el almacenamiento y la deformación residual después de las pruebas mecánicas; y la distribución de diversas características microestructurales, incluidos los precipitados y las características de los límites de grano.

SRAS++ utiliza imágenes SRAS para proporcionar la medición bruta de las superficies de velocidad de granos individuales. Esta información se introduce en un novedoso solucionador inverso que mitiga el problema de la inversión mal condicionada, resolviendo simultáneamente múltiples granos con orientación única mediante un enfoque de fuerza bruta. Esto permite la determinación simultánea de las constantes elásticas y la orientación cristalográfica. Además, esta técnica tiene el potencial de funcionar con materiales policristalinos con una preparación mínima y ofrece una alta precisión, pudiendo alcanzar errores en la determinación de los valores de las constantes elásticas inferiores a 1 GPa.

Las superficies lisas, como espejos, proporcionan reflejos especulares , lo que permite una fácil detección de la onda acústica. Sin embargo, a medida que las superficies se vuelven más rugosas, los reflejos se vuelven más difusos , lo que dificulta la detección de la onda acústica por dos razones. En primer lugar, el haz reflejado se dispersa en forma de cono; a medida que este cono aumenta de diámetro, se devuelve menos luz al sistema, lo que disminuye la eficiencia de detección. En segundo lugar, la luz que regresa al detector ya no presenta una intensidad gaussiana, sino que los frentes de onda que interfieren crean un patrón de moteado estocástico . No obstante, muchos procesos de ingeniería generan una superficie ópticamente rugosa, por ejemplo, la fabricación aditiva o la forja , y existe el deseo de realizar mediciones en dichos componentes en su estado de fabricación. Para lograr esto, se requiere una técnica interferométrica compatible con superficies rugosas. Por ejemplo, un interferómetro Fabry-Pérot , que es inherentemente tolerante al moteado; la mezcla de dos ondas, que puede adaptarse al patrón de moteado; o un detector de moteado de borde de cuchilla. ^{[ 6 ]} Con el uso de tales técnicas de detección, es posible realizar mediciones SRAS en superficies ópticamente rugosas. ^{[ 7 ]}