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基于超聲波水浸點(diǎn)聚焦探頭測(cè)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(biāo)，是屈服強(qiáng)度、硬度和殘余應(yīng)力等力學(xué)性能測(cè)量與評(píng)定的基礎(chǔ).因此，簡(jiǎn)便可行的彈性模量表征方法及測(cè)量技術(shù)，對(duì)于材料制備工藝的評(píng)價(jià)和力學(xué)性能的表征具有重要的學(xué)術(shù)意義.
目前測(cè)量材料彈性模量的方法有靜態(tài)拉伸法和動(dòng)態(tài)法.靜態(tài)拉伸法需要對(duì)被測(cè)試樣進(jìn)行拉伸、扭轉(zhuǎn)加載，具有破壞性.動(dòng)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(diǎn).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(guò)測(cè)量超聲縱波聲速與橫波聲速來(lái)實(shí)現(xiàn)材料彈性模量的測(cè)量，具有無(wú)損傷、測(cè)量簡(jiǎn)便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn).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(gè)探頭配合才能獲得材料的縱波聲速和橫波聲速，測(cè)量過(guò)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(shí)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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響.
本文基于超聲波斜入射至異質(zhì)界面時(shí)的波型轉(zhuǎn)換原理，提出了一種利用水浸點(diǎn)聚焦探頭來(lái)測(cè)量材料彈性模量的方法.該方法只需單個(gè)水浸點(diǎn)聚焦探頭進(jìn)行單次聲波入射即可實(shí)現(xiàn)彈性模量與泊松比的測(cè)量.并通過(guò)對(duì)軋制鋁和鎳試樣的實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證了該方法的合理性.
1測(cè)量原理
依據(jù)聲波在無(wú)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(cè)量原理依據(jù)聲波在無(wú)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(jì)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(jìn)行測(cè)量，具體原理為:將水浸點(diǎn)聚焦探頭的聲束聚焦于材料的底面，此時(shí)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(shí)，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(duì)應(yīng)的聲時(shí)分別為t1 , t2與t3，則可得反射縱波在材料中的傳播時(shí)間為t12= t2-t1，反射縱波與反射橫波傳播的聲時(shí)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(guò)不銹鋼試樣進(jìn)行標(biāo)定，將測(cè)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(jì)算得彈性模量E和泊松比.
2實(shí)驗(yàn)∶
2. 1實(shí)驗(yàn)裝置
超聲測(cè)量系統(tǒng)包括超聲波探傷儀、水浸點(diǎn)聚焦探頭、三維步進(jìn)裝置、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)，其水浸點(diǎn)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(jì)算
將水浸點(diǎn)聚焦探頭的聲束焦點(diǎn)聚焦于不銹鋼試樣的底面，回波信號(hào)記下此時(shí)不銹鋼試樣表面回波P1的聲時(shí)t1=15. 74 us和底面反射縱波P2對(duì)應(yīng)的聲時(shí)t2=16. 61 us.
3結(jié)論
本文提出一種基于水浸點(diǎn)聚焦超聲波探頭測(cè)量材料彈性模量的方法，并分別對(duì)厚度約為2 mm的軋制鋁、鎳試樣進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果滿足誤差要求.同時(shí)可知該方法可測(cè)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(duì)于常規(guī)超聲方法，該方法只需單個(gè)水浸點(diǎn)聚焦探頭進(jìn)行單次聲波入射，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單方便，具有一定的應(yīng)用前景.
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