[发明专利]金属三阶弹性常数的激光超声测定方法

权利要求书

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x_i(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x_i(i＝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x_i(i＝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Δt，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(X_N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X_S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和然后引入瑞利方程，通过联立方程组，由已测得的V_R、V_L和V_S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)考虑热膨胀引起密度变化引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。