[发明专利]金属三阶弹性常数的激光超声测定方法

说明书

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.7544，754451(2010)《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；(2)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；(3)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。

附图说明

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：