专利名称：金属三阶弹性常数的激光超声测定方法
技术领域：
本发明涉及一种对金属的三阶弹性常数进行精确测定的方法，具体的说是一种利用激光超声波精确测定金属的三阶弹性常数的方法。
背景技术：
声弹性效应指固体中的超声波波速会随着施加在固体的变形或应力而变化，该效应在静态的无损检测和残余应力检测中得到广泛应用，这些应用中通常认为波速与应变是线性关系。现有的方法对各种超声模态波速的测量精度可达10_4甚至更高，见我们先
前的研究结果-如文献 1[SPIE，Vol. 7544，7544δ1 (2OlO)《Measurement of velocity
distribution of laser-generated Rayleigh wave on welded structure》]。而主要的难题是得到声速基于应变变化的关系参数，我们称之为声弹性系数。数学上，声弹性系数是二阶和三阶弹性常数的线性结合，二阶和三阶弹性常数与材料的微观和宏观性能都有密切关系，特别是材料的高阶弹性常数(如三阶弹性常数)对于其特性的定量估计具有重要意义，其中包含有大量材料非线性信息，例如材料的温度膨胀性质、热传导性质以及高频声波的衰减性质等都与高阶弹性常数密切相关。测定三阶弹性常数的传统方法是采用定标的载荷施加到材料上并测量速度变化， 这需要复杂庞大的仪器设备，并且样品必须是特定的形状和尺寸，如文献2[同济大学学报，Vol. 23，5 (1995)《三阶弹性常数的超声测量方法》]。这种方法测量了固体无轴向应力和施加轴向应力状态下的纵波声速和切变波声速，利用声波波速和三阶弹性常数的关系算出三阶弹性常数。但是，这个方法在样品两侧对心激发和接收超声波，如此判断声波到达时间(尤其对于厚度较小的样品)容易出现误判，因此引起波速测算和最终弹性常数计算产生误差；由于没有考虑在施加轴向应力状态下固体的密度和轴向长度都有一定的变化，仍采用无应力时的材料密度和声波传播距离值，这也给弹性常数的测算带来较大的误差。因此开发一种精确测量声波波速，进而精确计算金属三阶弹性常数的高可靠性技术是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是发明一种对金属的三阶弹性常数进行精确测定的方法，这种方法不但使各种模态的声波波速测量精度更高，可以避免对心激发接收方法对声波到达时间取值误差，而且利用线性热膨胀施加静水应力避免了因施加轴向应力引起金属轴向长度变化，并且考虑了应力状态下金属的密度变化，因此测算金属的三阶弹性常数的精度更高。实现本发明目的的技术解决方案为一种金属三阶弹性常数的激光超声测定方法，步骤如下第一步，在无应力状态和有应力状态下，分别测定激光激发的纵波、横波、表面波的波速；第二步，利用无应力状态下测得的表面波、纵波和横波波速，根据声弹性理论和瑞利方程计算金属的二阶弹性常数和密度；第三步，利用有应力状态下测得的纵波、横波、表面波的超声波波速，引入等效二阶弹性常数和独立测量的线性热膨胀系数，最后根据声弹性理论计算三阶弹性常数。本发明与现有技术相比，其显著优点有(1)利用脉冲激光线源激发声表面波，在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测；( 通过采集大量传播了不同距离的声表面波数据，利用相关函数法计算声表面波波速和声波传播距离，可以大大减小由声表面波到达时间取值的误差，提高了声波波速的测定精度；C3)采用恒温加热法通过样品线性热膨胀施加静水应力不但设备简单实用，而且避免了因施加轴向应力带来金属轴向长度变化，并且考虑了应力状态下金属的密度变化，因此测算金属的三阶弹性常数的精度更高。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是使用扫描激光线源法在金属样品处于无应力状态和有应力状态时分别测算声表面波、纵波和横波波速的检测系统示意图。图2是探测到的超声信号图及对声表面波的频谱分析图。图3是N个声表面波信号的时间延迟和波传播距离的函数关系拟合曲线图。
具体实施例方式本发明金属三阶弹性常数的激光超声测定方法，其步骤如下第一步，精确测定无应力状态下激光激发的超声波(纵波、横波、表面波)的波速。 具体步骤包括(1)设计检测系统，如图1所示。该检测系统包括脉冲激光器、柱面透镜、步进电机、超声探测装置(如PZT传感器或干涉仪等)、金属材料样品、恒温加热容器、单通道示波器和计算机，步进电机分别连接脉冲激光器、柱面透镜，该计算机控制单通道示波器、步进电机，单通道示波器与超声探测装置相连，金属样品置于恒温加热容器内以便控制温度，脉冲激光器、柱面透镜固定在步进电机上以便移动激发光源，计算机控制单通道示波器、步进电机，超声探测装置与单通道示波器相连实现声信号转换成电信号，最后存入计算机。(2)在恒温加热器关闭时(也即样品处于常温状态)，利用Nd: YAG激光器产生的短脉冲激光通过柱面透镜在固体表面聚焦成线源作为超声激发源，利用步进电机使激光线源沿轴向精确移动，在不同位置XiG =N，…1)处激发声表面波，超声探测装置的探测点固定在线光源中轴线方向上，探测从Xi (i = 1…N)处激发的声表面波，声波波形如图2所示， 单通道示波器把换能器探测的声表面波信号转换成数字信号输入计算机，并进行后续的数据处理。(3)利用步进电机移动激光线源至探测点最近的位置\处(此位置时线源最靠近探测点)，使探测的纵波信号信噪比最好，探测到从金属样品底部反射的信噪比最大的纵波脉冲信号，记录其到达时间、。控制步进电机移动激光光源至&位置，使得从底部反射的横波脉冲达到最好的信噪比(通过观察单通道示波器上的横波信号值为最大)，记录其到达时间ts和光源移动距离d。
(4)运用波形相关函数法对N步的探测结果获得各步的时间相对延迟At，便可得到波形的位置变化ΔΧ与At的线性拟合关系，如图3所示，通过线性拟合延迟时间和波形传播步进距离的函数关系可得声表面波波速Vk，拟合直线的斜率为1/VK，Ve即为声表面波波速，根据此波速便可得Xn处激发点离探测点的距离L(即波的传播距离)。(5)利用已知的L和金属样品的厚度h计算得到从底面反射纵波的传播距离
为yfFT^，便可计算纵波波速& =yjL2+4h2/tL，这里、是纵波的传播时间。利用步进电机远离探测点移动激光线源距离d至&处，使横波信号的信噪最好，得到横波波速 Vs=^(L + df+4h2/ts , ts为横波的传播时间。第二步，根据第一步中测算的声表面波、纵波、横波波速，由瑞利方程和克里斯托菲尔弹性理论计算金属的密度和二阶弹性常数，也即根据(1) (3) (4)式，便可计算金属的二阶弹性常数Cn、C44和密度P。其中瑞利方程为
权利要求
1.一种金属三阶弹性常数的激光超声测定方法，其特征在于步骤如下第一步，在无应力状态和有应力状态下，分别测定激光激发的纵波、横波、表面波的波速；第二步，利用无应力状态下测得的表面波、纵波和横波波速，根据声弹性理论和瑞利方程计算金属的二阶弹性常数和密度；第三步，利用有应力状态下测得的纵波、横波、表面波的超声波波速，引入等效二阶弹性常数和独立测量的线性热膨胀系数，最后根据声弹性理论计算三阶弹性常数。
2.根据权利要求1所述的金属三阶弹性常数的激光超声测定方法，其特征在于在第一步中，测定无应力和有应力状态下的纵波、横波、表面波波速的方法为(1)设计检测系统，该检测系统包括脉冲激光器、柱面透镜、步进电机、超声探测装置、 金属材料样品、单通道示波器和计算机，步进电机分别连接脉冲激光器、柱面透镜，该计算机控制单通道示波器、步进电机，单通道示波器与超声探测装置相连，脉冲激光器激发的短脉冲激光通过柱面透镜聚焦线光源辐照在金属材料样品表面Xi (i = 1…N)的位置，作为金属材料表面的声表面波的激发源，金属材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波，并沿表面传播；(2)脉冲激光器和柱面透镜固定在步进电机的平移台上，计算机控制步进电机使激光线光源沿轴向移动，在不同的位置= 1…N)处激发声表面波，超声探测装置的探测点固定在线光源中轴线方向上，探测从&(1 = 1…N)处激发的声表面波，单通道示波器把超声探测装置探测的声表面波信号转换成数字信号输入计算机，并进行后续的数据处理；(3)运用波形相关函数法对N步的探测结果计算各步的时间相对延迟At，通过线性拟合延迟时间和波形传播步进距离的函数关系计算得声表面波波速，并根据步进距离计算波的传播距离L ；在激光线源与探测点最近处(Xn处)可探测信噪最好的纵波信号，利用已知的L和金属样品的厚度h计算得到从底面反射纵波的传播距离，根据纵波到达时间便可计算纵波波速；利用步进电机移动激光线源至&处，得到信噪比最好的横波信号，根据横波传播距离和到达时间得到横波波速。
3.根据权利要求1所述的金属三阶弹性常数的激光超声测定方法，其特征在于在第二步中，在无应力状体测定金属的二阶弹性常数，其方法为基于声弹性理论，克里斯托菲尔方程在一维平面内简化可得到二阶弹性常数与声波波速的关系式C11 = PG2和C44 = P^，然后引入瑞利方程，通过联立方程组，由已测得的Vk、&和Vs便可求得金属的二阶弹性常数。
4.根据权利要求1所述的金属三阶弹性常数的激光超声测定方法，其特征在于在第三步中，利用热膨胀使金属处于静水应力状态下测定三阶弹性常数的方法为(1)对金属样品进行恒温加热，使金属处于静水应力状态下，测定此时的激光声表面波、纵波和横波的速度；(2)利用TMA测试独立测量金属样品在随温度变化的形变曲线，进而得到金属材料的线性热膨胀系数；(3)考虑热膨胀弓I起密度变化^= p/(l + 3aT)，弓I入等效二阶弹性常数与声波波速的关系，利用第二步已计算的二阶弹性常数、声波速度、热膨胀系数、密度计算三阶弹性常数。
全文摘要
本发明公开了一种利用激光超声波精确测定金属的三阶弹性常数的方法，在无应力状态和有应力状态下，分别测定激光激发的纵波、横波、表面波的波速；利用无应力状态下测得的表面波、纵波和横波波速，根据声弹性理论和瑞利方程计算金属的二阶弹性常数和密度；利用有应力状态下测得的纵波、横波、表面波的超声波波速，引入等效二阶弹性常数和独立测量的线性热膨胀系数，最后根据声弹性理论计算三阶弹性常数。本发明利用脉冲激光线源激发声表面波，在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测；通过采集大量传播了不同距离的声表面波数据，利用相关函数法计算声表面波波速和声波传播距离，可以大大减小由声表面波到达时间取值的误差，提高了声波波速的测定精度。
文档编号G01N29/07GK102297898SQ201110125960
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者倪晓武, 倪辰荫, 沈中华, 董利明, 阿雷克塞·罗莫诺索夫 申请人:南京理工大学
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