[发明专利]声表面波技术探测各向同性材料表层杨氏模量的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种杨氏模量检测方法。特别是涉及一种针对各向同性材料表层的杨氏模量进行检测的声表面波技术探测各向同性材料表层杨氏模量的检测方法。 

背景技术

检测技术作为产品质量控制和设备安全运行保障的主要手段，在先进制造与自动化领域中发挥着其至关重要的作用。尤其是随着科技的迅猛发展和交叉领域的逐步拓宽，以高温、高压、高速度和高负荷为标志的现代工业对其产品质量要求更为严格，新的检测方法和设备也源源不断地涌现。其发展趋势主要以高精度、非接触式、无损、快速、遥控、操作简单、成本低廉为主；既可以适应宏观测量，又能满足微观测量的需要；既可以测量表面特性，又获得测量亚表面信息；不但适合实验室的研究要求，而且也可为工业实际所采用。但是，迄今为止，并不存在一种检测手段，能够同时具备以上诸多特点的。 

针对材料力学性能的测量而言，纳米压痕仪一直是作为测量薄膜硬度和杨氏模量的主要商用化仪器而使用。但是，这种测试还存在诸多不足。第一，其测量结果是间接得到的，经常需要与其它技术进行交叉验证；第二，纳米压痕技术的横向分辨力受限于压头尺寸；第三，纳米压痕技术的测量结果易受到内部和外部条件影响，比如内部压电器件的蠕变及热漂移；第四，采用纳米压痕技术测量薄膜时，会很大程度的受到基底材料的影响；第五，其测量方式属于离线、破坏性测量，且难以判定材料的弹性模量的绝对数值，第六，仪器采购成本较高。对于各向同性材料杨氏模量的测量还有多种方法，例如动态力学谱分析技术、布里渊光散射技术、声学扫描显微镜法等，但是这些检测方法都存在诸多的不足。 

在众多的检测技术之中，利用超声波对工件的表面完整性进行研究一直占据着测量领域的热门地位。特别是在激光技术问世之后，激光声表面声波的检测方法为超声波探伤技术开辟了一片新的天地。表面波（SAW:Surface Acoustic Wave）是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波过程中首次提出的，所以又叫瑞利波（Rayleigh wave）。该波在地球与空气的界面沿地球表面传播，其渗透深度约为一个波长，且随深度快速衰减。依照这一特点，国内外学者便把这种能量集中于介质浅表层内传播的弹性波统称为表面波。 

激光声表面波技术（Laser Generated Surface Acoustic Wave:LSAW）是测量工程材料微纳米力学性能的理想方法，具备无损、快速和精确测量等独有特点。相比上述传统技术，LSAW技术不仅不会受到压头尺寸限制，而且还可以获得材料表层杨氏模量的绝对数值。其所获得的结果可以同时反映试件表面/亚表面以及材料基体的机械性能。该技术能够极大地简化测量步骤，降低对操作人员的技术要求，缩短测试时间，提高测试效率。这一特点在机械自动化、航空航天、国防科技、以及微机电系统领域中或大批量生产条件下的产品的制造加工和质量监控方面，都显现出尤为必要和关键。而且在半导体行业中该技术能够实现原位同步测量（测量厚度在1mm范围内），有效地获得塑性或硬脆材料的加工损伤（如：裂纹、划痕和气孔等） 信息，而这一点也是其他技术无法与之相比的。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够简化测量步骤，缩短测试时间，提高测试效率，降低测量成本的声表面波技术探测各向同性材料表层杨氏模量的检测方法。 

本发明所采用的技术方案是：一种声表面波技术探测各向同性材料表层杨氏模量的检测方法，包括如下步骤： 

1）利用短时脉冲激光器在各向同性试件表面内激发出宽频声表面波，将所获得的声表面波信号进行频域变换和色散曲线计算，以得到在声表面波传播方向上的色散曲线v=v(f)，其中，v(f)是相速度，f是频率； 

2）对步骤1）得到的实际相速度数据v_sh(f)进行拟合处理，获得最为接近v=v(f)的真值相速度以及由于被测各向同性试件物理性能突变所导致的相速度波动区间[v_min(f_a),v_max(f_b)]； 

3）建立理想条件下笛卡尔坐标几何模型，并推导出声表面波在弹性介质内的波动方程和介质微元的位移模型方程，获得含有未知的介质杨氏模量E、泊松比μ、传播方向的方向余弦l₁，l₂，l₃、按照经验数值给定的波幅衰减系数b、波数k、以及波速v的表面波基本传播方程v=v(E,k)。