基于超聲波水浸點聚焦探頭測量材料彈性模量的方法研究論文
0引言
彈性模量是描述材料彈性階段力學(xué)行為的工程指標，是屈服強度、硬度和殘余應(yīng)力等力學(xué)性能測量與評定的基礎(chǔ).因此，簡便可行的彈性模量表征方法及測量技術(shù)，對于材料制備工藝的評價和力學(xué)性能的表征具有重要的學(xué)術(shù)意義.
目前測量材料彈性模量的方法有靜態(tài)拉伸法和動態(tài)法.靜態(tài)拉伸法需要對被測試樣進行拉伸、扭轉(zhuǎn)加載，具有破壞性.動態(tài)法包括共振法和超聲波法.共振法發(fā)展比較成熟，應(yīng)用較為廣泛，但存在難以獲得共振頻率、易受操作人員主觀判斷影響等缺點.超聲波法基于超聲聲速與固體材料彈性特性之間的關(guān)系，通過測量超聲縱波聲速與橫波聲速來實現(xiàn)材料彈性模量的測量，具有無損傷、測量簡便、適用范圍廣等優(yōu)點.傳統(tǒng)的超聲波法需要多次調(diào)整探頭入射角度或者需要多個探頭配合才能獲得材料的'縱波聲速和橫波聲速，測量過程繁復(fù);或者將泊松比或表面波聲速與縱波聲速的比值近似為己知定值，此時利用單一模式的超聲波聲速即可表征金屬材料的彈性模量，但測量結(jié)果的準確性受到影響.
本文基于超聲波斜入射至異質(zhì)界面時的波型轉(zhuǎn)換原理，提出了一種利用水浸點聚焦探頭來測量材料彈性模量的方法.該方法只需單個水浸點聚焦探頭進行單次聲波入射即可實現(xiàn)彈性模量與泊松比的測量.并通過對軋制鋁和鎳試樣的實際測量，驗證了該方法的合理性.
1測量原理
依據(jù)聲波在無限大各向同性固體介質(zhì)中的傳播規(guī)律，可以推導(dǎo)材料的彈性模量、泊松比與縱波聲速、橫波聲速、密度之間的關(guān)系，即測量原理依據(jù)聲波在無限大各向同性固體介質(zhì)中的傳播規(guī)律，可以推導(dǎo)材料的彈性模量、泊松比與縱波聲速、橫波聲速、密度之間的關(guān)系，即
式中:P為材料的密度;v1為縱波聲速;v8為橫波聲速;E為彈性模量; ρ為泊松比.由式(1)-(2)可知，只要確定了縱波聲速與橫波聲速，再結(jié)合材料密度值即可計算彈性模量E和泊松比ρ.材料的縱波聲速值與橫波聲速值采用超聲波水浸聚焦技術(shù)進行測量，具體原理為:將水浸點聚焦探頭的聲束聚焦于材料的底面，此時在材料上表面與水的界面產(chǎn)生反射回波尸，;偏離主聲束軸線的超聲波以小于第一臨界角的角度a斜入射到材料之中，在材料上表面與水的界面產(chǎn)生折射縱波，折射角記為戶折射縱波在材料下表面與水的界面反射時，產(chǎn)生反射縱波P2與反射橫波P3.
假設(shè)材料表面反射回波P1、反射縱波P2與反射橫波P3對應(yīng)的聲時分別為t1 , t2與t3，則可得反射縱波在材料中的傳播時間為t12= t2-t1，反射縱波與反射橫波傳播的聲時差為t23 = t3-t2.
式中v水，v1與v8分別為水的聲速、材料的縱波聲速與橫波聲速; β與γ分別為縱波折射角與橫波折射角.入射角α為己知參數(shù)，可通過不銹鋼試樣進行標定，將測量的縱波聲速v1,橫波聲速v8與材料密度ρ代入式(1)-式(2)，即可計算得彈性模量E和泊松比.
2實驗∶
2. 1實驗裝置
超聲測量系統(tǒng)包括超聲波探傷儀、水浸點聚焦探頭、三維步進裝置、數(shù)字示波器以及計算機，其水浸點聚焦探頭的中心頻率為20 MHz，晶片直徑為6. 0 mm，焦距為19. 0 mm.
2. 2入射角a的計算
將水浸點聚焦探頭的聲束焦點聚焦于不銹鋼試樣的底面，回波信號記下此時不銹鋼試樣表面回波P1的聲時t1=15. 74 us和底面反射縱波P2對應(yīng)的聲時t2=16. 61 us.
3結(jié)論
本文提出一種基于水浸點聚焦超聲波探頭測量材料彈性模量的方法，并分別對厚度約為2 mm的軋制鋁、鎳試樣進行測量，測量結(jié)果滿足誤差要求.同時可知該方法可測量的材料厚度范圍與探頭的焦距、脈沖寬度、入射角以及材料的聲速有關(guān).相對于常規(guī)超聲方法，該方法只需單個水浸點聚焦探頭進行單次聲波入射，測量過程簡單方便，具有一定的應(yīng)用前景.
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