Caratterizzazione dell’effetto acustoelastico nei materiali mediante un nuovo metodo teorico e sperimentale di tipo goniometrico

La presente tesi si inserisce nell'ampio scenario della ricerca scientifica dedicata allo studio dell'effetto acustoelastico nei solidi, fenomeno che descrive l'influenza dello stato di sforzo sulle proprietà meccaniche e sulla propagazione delle onde ultrasoniche nei materiali. L'obiettivo principale del lavoro è stato lo sviluppo di un metodo teorico e sperimentale per la caratterizzazione quantitativa dei moduli di II ordine (SOEC) e III ordine (TOEC) nella configurazione naturale, basato sulla misura della variazione dei moduli elastici del II ordine in presenza di sforzo. È stato proposto in particolare un approccio acustoelastico di tipo goniometrico, in grado di misurare la variazione dei moduli elastici anche lungo piani relativi alla direzione di applicazione dello sforzo, difficilmente investigabili con gli approcci tradizionali. Nel Capitolo 1 vengono forniti cenni all'Elastodinamica lineare e sono discussi i due principali modelli teorici presenti in letteratura per lo studio della propagazione ondosa in materiali soggetti a sforzo iniziale, basati sulla teoria dell'Elasticità finita: l'approccio di Hughes & Kelly per materiali isotropi e l'approccio di Pao-Sachse-Fukuok per materiali ortotropi sviluppati nell'ambito dell'Elasticità del II ordine, e quello di Man & Lu, proposto nell'ambito dell'Elasticità linearizzata di A. Hoger. Il Capitolo 2 ripercorre lo sviluppo storico della sperimentazione acustoelastica nel quadro dei metodi di indagine non distruttivi (NDT), analizzando i metodi distruttivi tradizionali (sezionamento, slitting) e le tecniche non distruttive, tra cui la diffrattometria a raggi X e le tecniche ultrasoniche. Vengono discussi il metodo della birifrangenza acustica di Benson e Raelson, l'approccio sperimentale di Man e Lue, l'approccio sperimentale di Hughes e Kelly e il metodo dei coefficienti acustoelastici individuando le principali criticità aperte. Il Capitolo 3 è dedicato al modello acustoelastico di Wallace, sviluppato nell'ambito dell'Elasticità del II ordine, a partire dal quale viene sviluppata la formulazione teorica del nuovo metodo proposto. Vengono esaminati il caso di sforzo idrostatico e il caso di sforzo monoassiale, quest'ultimo responsabile dell'anisotropia indotta da sforzo, mostrando come un materiale isotropo divenga trasversalmente isotropo sotto tensione monoassiale. Viene quindi proposto il metodo teorico per la determinazione dei moduli SOEC e TOEC nella configurazione naturale del materiale, introducendo l'approccio goniometrico sviluppato nel capitolo successivo. Il Capitolo 4 presenta il setup sperimentale e il protocollo sviluppato. Un campione di lega di alluminio 5083 è stato sottoposto a trazione con step di carico in funzione della tensione di snervamento (fino al 90% di questa). Sono state misurate le variazioni di velocità delle onde ultrasoniche longitudinali e trasversali mediante prove per contatto e tramite Laser-Ultrasonica, lungo direzioni di propagazione e polarizzazione prefissate secondo un metodo goniometrico discreto. Dalle variazioni di velocità, ricavate per interpolazione lineare, sono state determinate le variazioni delle nove componenti del tensore elastico di IV ordine secondo il modello di materiale ortotropo, permettendo infine la determinazione quantitativa dello sforzo iniziale a partire dai moduli elastici di II ordine (SOEC) e III ordine (TOEC) misurati.