CN108120768A - 一种高温弹性模量的超声波测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温弹性模量的超声波测试方法及装置，该装置包括：用于放置试样的加热炉、用于为加热炉抽真空的真空泵、用于声波发射和接收的换能器、用于为换能器降温的水冷却器、用于为加热炉提供惰性气体的高压氩气瓶和加热温控系统；所述试样为棒状，试样的上段整体在加热炉中，下段伸出炉外，炉外部分紧贴换能器；所述试样上段中部外表面设有一个用于放置测温热电偶的小槽，热电偶测得的温度信号发送给炉外的加热温控系统；所述真空泵通过导管连接加热炉；所述高压氩气瓶通过导管连接加热炉。本发明给出了一种新的高温弹性模量的超声波测试方法。

Description

一种高温弹性模量的超声波测试方法及装置

技术领域

本发明涉及物理性能测试技术，尤其涉及一种高温弹性模量的超声波测试方法及装置。

背景技术

先进结构材料与功能材料的发展日新月异，而各种性能表征与评价技术则是其更新换代的基本保证。其中，弹性模量是材料的重要核心力学性能之一，主要反映了其抵抗变形的能力，是保障结构部件刚度性能的重要参数，对于材料设计与安全使用至关重要。弹性模量也称为杨氏模量，由英国物理学家托马斯·杨在1807年提出弹性模量的定义。定义一条长度为L、截面积为S的金属丝在力F的作用下延伸长；外力F与截面积S的比值称为应力，其物理意义是单位横截面积所受到的力；受力后试样的伸长量与初始长度的比值称为应变，其物理意义是单位长度所对应的伸长量。根据胡克定律，在材料的弹性限度内，正应力与正应变的比值称为材料的弹性模量。弹性模量是一个材料常数，可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标；其值越大，说明材料的刚度也越大，在一定应力作用下，发生弹性变形的形变量就越小，即越不容易变形。弹性模量是反映材料抵抗弹性变形能力的一个物理量，相当于普通弹簧中的刚度。

随着材料领域的快速发展，使其能够在各种特殊条件下安全服役并发挥作用越来越重要。材料处于外部环境的特殊条件下，如高温及超高温、高压、真空及腐蚀环境等，其弹性模量E、体积模量G、剪切模量K、泊松比μ等常用物理参数都会有所改变。因此，高温等特殊环境下的物性参数的测定尤为重要。

国内外常见的材料弹性模量的评价方法按照原理的不同可分为静态法法和动态法两种。静态法：当试样为棒状物体或金属丝且仅受轴向外力作用后伸长或缩短时，依据胡克定律，在其弹性范围内，弹性体的应力与应变成正比，其比值即为材料弹性模量。动态法：利用脉冲激励器来激励具有矩形截面的梁试样，测量样品的弯曲或扭转频率。激励引起样品的自由振动，通过试样信号接收器获得振动信号，进而利用弯曲振动的基频算出试样的弹性模量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种高温弹性模量的超声波测试方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温弹性模量的超声波测试装置，包括：

用于放置试样的加热炉、用于为加热炉抽真空的真空泵、用于声波发射和接收的换能器、用于为换能器降温的水冷却器、用于为加热炉提供惰性气体的高压氩气瓶和加热温控系统；

所述试样为棒状，由上下两段圆柱体组成，上段为测量段，上段直径D1小于下段直径D2，试样上下两段衔接处形成一个肩部，试样的上段整体在加热炉中，下段伸出炉外，炉外部分紧贴换能器；

所述试样上段中部外表面设有一个用于放置测温热电偶的小槽，热电偶测得的温度信号发送给炉外的加热温控系统；

所述真空泵通过导管连接加热炉；所述高压氩气瓶通过导管连接加热炉。

按上述方案，所述试样上段直径D1的范围为：0.4D2≤D1≤0.6D2。

按上述方案，所述试样上段高度为H1，下段高度为H2，5H1<H2<12H1。

按上述方案，所述加热炉的壳体为耐高温透明玻璃外壳。

按上述方案，所述加热炉四周均匀布置了四个等尺寸的加热体。

按上述方案，所述加热炉外壳的下底部有一个直径为D2的螺纹开口，试样下段外表面为螺纹设计，加热炉外壳的下底部的开口与试样下段螺纹连接。

一种使用上述装置的高温弹性模量的超声波测试方法，包括以下步骤：

1)打开真空抽气泵阀体利用抽气泵将加热炉炉体中的空气抽至10Pa以下，再关闭阀体；而后，通过打开高压氩气瓶阀体将高压氩气通过导管导入炉体1内，当加热炉炉体内压力恢复大气压后关闭阀体；

2)换能器产生超声波传到测量段的肩部，部份超声波发生反射，其余部份继续传播，在测量段顶端发生反射，由这两个反射波的时间差Δt可求出纵波声速：

c_l＝2H₁/Δt₁；

3)设A为纵波在样品肩部反射信号，B为在测量段端部反射信号，C为经历横式转换后的第一个反射纵波在测量段端部(即试样测量段末端)反射信号；B、C间的时间间隔为Δt₂，则

即可由示波器中的Δt₂求出横波波速c_t；

4)加热炉开始加热，通过温控系统进行控制，选取升温速度为0.3～0.5℃/s，降温速度为-0.5～-0.3℃/s，温控系统的PID参数设定范围为：P值：9～15，I值：5～9，D值：1～3；到达目标温度后，记录Δt₁和Δt₂，然后采用以下公式计算出材料的弹性模量、剪切模量和泊松比：

其中，E为弹性模量、G为体积模量、K为剪切模量、v为泊松比。

本发明产生的有益效果是：

1.给出了一种新的高温弹性模量的超声波测试方法；

2.通常测量纵波声速和横波声速要用两个换能器，一个产生纵波，一个产生横渡。本设计中通过试样设计用一个纵波换能器同时测量两种波速。

3.通过选取升温速度和降温速度，既可以保障控制平稳，试样充分加热，又适度提高试验效率。

4.通过设定P值(9～15)，I值(5～9)，D值(1～3)，可以稳定有效控制加热。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的装置结构示意图；

图2是本发明实施例的装置俯视图；

图3是本发明实施例的纵波及横波波速随温度的变化示意图；

图4是本发明实施例的杨氏模量随温度的变化示意图；

图5是本发明实施例的剪切模量随温度的变化示意图；

图6是本发明实施例的泊松比随温度的变化示意图；

图7是本发明实施例的纵波及横波波速随温度的变化示意图；

图8是本发明实施例的杨氏模量随温度的变化示意图；

图9是本发明实施例的剪切模量随温度的变化示意图；

图10是本发明实施例的泊松比随温度的变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种高温弹性模量的超声波测试装置及试样如图1所示。加热装置外壳1为耐高温透明玻璃材料，其四周如图2所示，布置了四个等尺寸的加热体2，其内部为灯泡、热阻丝等发光热源，采用四个加热体均布四周的结构其优势在于，能更均匀有效的对试样进行加热，另外，四个加热体中间有小间隙，而不是连接为一体，便于试验前后移开发热体，透过透明外壳1可直接观察试样。外壳1的下底部有一个直径为D2的螺纹开口。

通常测量纵波声速和横波声速要用两个换能器，一个产生纵波，一个产生横渡。本实施例中用一个纵波换能器11同时测量两种波速。样品10需要加工为棒状，试样上段9直径为D1，高度为H1，下段直径为D2，高度为H2。试样上段9作为测量段，试样上段9与试样下段衔接处形成一个肩部，D1＝(0.4～0.6)D2；5*H1<H2<12*H1。测量段9在高温炉中，下段伸出炉外贴换能器，由于样品有较高的热传导，样品在炉外一端温度仍然较高。因此，样品在炉外的水冷却器12使换能器保持在室温。声速用回波法测量，一个换船器既作为声波发射器，也作为声波接收器。测量段9外表中间处，设一个直径为2mm，深度为1mm的小槽，便于放置测温热电偶8。热电偶8测得的信号进入加热温控系统3，其控制反馈信号进入加热体2进行加热控制调节。试样10下段外表为螺纹设计，可有效降低超声波漫反射干扰，并可以使试样旋钮固定在外壳1之上。抽真空系统5(包含抽气泵及压力监控器)通过导管连接于加热炉上。加热开始前，需打开阀体4利用5中的抽气泵将炉体1中的空气抽至10Pa以下，再关闭阀体4。而后，通过打开阀体6将高压氩气7通过导管导入炉体1内，当1内压力恢复大气压后关闭阀体6。其作用在于，可以保护被加热的试样过分氧化。

测试实验：

1、试验开始前，先打开冷却水循环系统12。

2、将热电偶8用耐高温水泥粘接在试样10的测试端中间的小孔上。

3、将试样10从下底处旋入炉体1之内，移开四个加热体2，通过透明玻璃观察热电偶是否正常，试样是否正常。

4、打开声传感器11，及与其连接的示波器，测试常温下的声波反馈，记录Δt₁和Δt₂。关闭四个加热体，使其贴近炉体外壳1。

5、真空系统5(包含抽气泵及压力监控器)通过导管连接于加热炉上。加热开始前，需打开阀体4利用5中的抽气泵将炉体1中的空气抽至10Pa以下，再关闭阀体4。而后，通过打开阀体6将高压氩气7通过导管导入炉体1内，当1内压力恢复大气压后关闭阀体6。其作用在于，可以保护被加热的试样过分氧化。

6、打开加热体2电源，开始加热，通过控温系统3进行控制。选取升温速度为0.3～0.5℃/s，降温速度为-0.5～-0.3℃/s。既可以保障控制平稳，试样充分加热，又适度提高试验效率。通过设定P值(9～15)，I值(5～9)，D值(1～3)，可以稳定有效控制加热。

7、到达目标温度后，记录Δt₁和Δt₂，从而根据以下公式计算出该温度下的弹性模量、泊松比及剪切模量。

在实验过程中，换能器产生的超声波传到测量段的肩部，部份超声波发生反射，其余部份继续传播，在测量段顶端发生反射，由这两个反射波的时间差Δt可求出纵波声速。

c_l＝2H₁/Δt₁

A为纵波在样品测量段肩部反射信号，B为在测量段端部反射信号，C为经历横式转换后的第一个反射纵波在测量段端部反射信号。B、C间的时间间隔为Δt₂。有

以下为弹性模量、泊松比及剪切模量的公式推导过程：

当介质为均匀各向同性材料时，只剩下两个独立的弹性常数Cll和C44，通常用符号λ和μ，也称拉梅常数，其弹性常数的矩阵表达式：

设想平面波在均匀各向同性介质中的传播方向为[1，1，0]，由等式计算各向声张量，则等式变成如下形式：

展开

通过因式分解，我们可以求得三个相速度c的值：

其中c₁,c₂分别表示超声波在均匀各向同性介质中的纵波和横波声速，通常用c_l,c_t表示。根据均匀各向同性介质的应力应变分析，结合广义胡克定律在均匀各向同性固体材料中的运用获得拉梅常数与弹性模量和泊松比之间的关系式：

得到声速与弹性常数之间的关系式：

根据材料弹性常数与拉梅常数之间的关系式获得了采用纵波和横波声速表示的弹性常数：

其中，E为弹性模量、G为体积模量、K为剪切模量、v为泊松比。

实施例一：高温容器钢07Cr2AlMoRe高温物理性能试验。

针对07Cr2AlMoRe高温容器用钢进行高温物性试验研究，温度范围为常温至800度。根据前面的研究，加温速度设定为0.3℃/s，到达800度后保温1min，降温速度为-0.3℃/s，保温时间为0。PID选取为，P值10，I值7，D值1。07Cr2AlMoRe高温容器用钢正火+回火(N+T)状态钢板力学拉伸性能见表1，冲击试验结果见表2，高温物性试验结果见图3至图6。表1正火+回火(N+T)状态钢板常温拉伸性能试验结果

表2正火+回火(N+T)状态钢板系列温度冲击试验结果

实施例二：U25CrNi贝氏体重轨产品进行高温物性试验

针对U25CrNi贝氏体重轨产品进行高温物性试验研究，温度范围为常温至800度。根据前面的研究，加温速度设定为0.4℃/s，到达800度后保温1min，降温速度为-0.4℃/s，保温时间为0。PID选取为，P值11，I值2，D值1。

U25CrNi贝氏体重轨产品力学性能见表3，高温物性试验结果见图7-图10。表3U25CrNi贝氏体重轨力学性能

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种高温弹性模量的超声波测试装置，其特征在于，包括：

用于放置试样的加热炉、用于为加热炉抽真空的真空泵、用于声波发射和接收的换能器、用于为换能器降温的水冷却器、用于为加热炉提供惰性气体的高压氩气瓶和加热温控系统；

所述试样为棒状，由上下两段圆柱体组成，上段为测量段，上段直径D1小于下段直径D2，试样上下两段衔接处形成一个肩部，试样的上段整体在加热炉中，下段伸出炉外，炉外部分紧贴换能器；

所述试样上段中部外表面设有一个用于放置测温热电偶的小槽，热电偶测得的温度信号发送给炉外的加热温控系统；

所述真空泵通过导管连接加热炉；所述高压氩气瓶通过导管连接加热炉。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试样上段直径D1的范围为：0.4D2≤D1≤0.6D2。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述试样上段高度为H1，下段高度为H2，5H1<H2<12H1。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热炉的壳体为耐高温透明玻璃外壳。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热炉四周均匀布置了四个等尺寸的加热体。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热炉外壳的下底部有一个直径为D2的螺纹开口，试样下段外表面为螺纹设计，加热炉外壳的下底部的开口与试样下段螺纹连接。

7.一种使用权利要求1所述装置的高温弹性模量的超声波测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)打开真空抽气泵阀体利用抽气泵将加热炉炉体中的空气抽至10Pa以下，再关闭阀体；而后，通过打开高压氩气瓶阀体将高压氩气通过导管导入炉体1内，当加热炉炉体内压力恢复大气压后关闭阀体；

2)换能器产生超声波传到测量段的肩部，部份超声波发生反射，其余部份继续传播，在测量段顶端发生反射，由这两个反射波的时间差Δt可求出纵波声速：

c_l＝2H₁/Δt₁；

3)设A为纵波在样品肩部反射信号，B为在测量段端部反射信号，C为经历横式转换后的第一个反射纵波在测量段端部反射信号；B、C间的时间间隔为Δt₂，则

<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;t</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>l</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow>

即可由示波器中的Δt₂求出横波波速c_t；

4)加热炉开始加热，通过温控系统进行控制，选取升温速度为0.3～0.5℃/s，降温速度为-0.5～-0.3℃/s，温控系统的PID参数设定范围为：P值：9～15，I值：5～9，D值：1～3；到达目标温度后，记录Δt₁和Δt₂，然后采用以下公式计算出材料的弹性模量、剪切模量和泊松比：

<mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>l</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>l</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>,</mo> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;rho;c</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow>

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其中，E为弹性模量、G为体积模量、K为剪切模量、v为泊松比。