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行為的工程指標，是屈服強度、硬度和殘余應力等力學性能測量與評定的基礎.因此，簡便可行的彈性模量表征方法及測量技術，對于材料制備工藝的評價和力學性能的表征具有重要的學術意義.
目前測量材料彈性模量的方法有靜態拉伸法和動態法.靜態拉伸法需要對被測試樣進行拉伸、扭轉加載，具有破壞性.動態法包括共振法和超聲波法.共振法發展比較成熟，應用較為廣泛，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系，通過測量超聲縱波聲速與橫波聲速來實現材料彈性模量的測量，具有無損傷、測量簡便、適用范圍廣等優點.傳統的超聲波法需要多次調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;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，但測量結果的準確性受到影響.
本文基于超聲波斜入射至異質界面時的波型轉換原理，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
依據聲波在無限大各向同性固體介質中的傳播規律，可以推導材料的彈性模量、泊松比與縱波聲速、橫波聲速、密度之間的關系，即測量原理依據聲波在無限大各向同性固體介質中的傳播規律，可以推導材料的彈性模量、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，產生反射縱波P2與反射橫波P3.
假設材料表面反射回波P1、反射縱波P2與反射橫波P3對應的聲時分別為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，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
超聲測量系統包括超聲波探傷儀、水浸點聚焦探頭、三維步進裝置、數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對應的聲時t2=16. 61 us.
3結論
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.相對于常規超聲方法，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，具有一定的應用前景.
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