CN110082428B - 基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法 - Google Patents

基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，对待测材料进行预处理；然后利用脉冲激光激发出超声波，利用裂纹实现对声表面波的反射和模式转换，从而仅仅通过采集声表面波便可计算出待测材料的声表面波波速和横波波速，结合待测材料的弹性常数与波速之间的关系，对待测材料的弹性常数进行测定。本发明避免了对纵波信号和横波信号的采集，采集设备简单，采用脉冲激光激发声表面波，效率高，实现了非接触性激发，对激光能量进行调节，可以根据需要进行热弹激发或烧蚀激发。

Description

基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法
技术领域
本发明属于材料弹性常数测量技术领域，具体涉及一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法。
背景技术
目前利用激光超声测量弹性常数有两种思路，一种是利用激光激发出多种模态超声，包括声表面波、纵波和横波，通过对其速度的测量进行弹性常数的反演计算，这种方法需要对所有模态超声进行测量，增加了实验平台的复杂性，不便于推广应用。第二种是声弹性法，即利用测量声速变化来反映物体内部应力分布，通常认为声速与应力间的关系是线性的，声弹性常数即为用来表征这种线性关系的常数，一般而言这种方式需要利用材料试验机测量声速与不同应力之间的关系，实验设备昂贵且复杂，除此之外还有纳米压痕技术、电磁超声，传统超声等。
现有对材料弹性常数的检测需要专业仪器，价格昂贵，而激光超声以高分辨率、非接触性等优点得到广泛应用，可以用来测量材料弹性常数，但往往需要测量多种模态声波信号或者采用材料试验机，测量声速与应力之间的关系，以往的激光超声测量弹性常数主要分为两种：一种是通过脉冲激光在材料表面和内部激发出多种模态超声，包括纵波、横波、表面波，随后采用不同的接收方式对上述所有模态超声进行采集处理，则必然增加了实验设备，实验过程繁琐复杂，第二种通过材料试验机、载荷模块等其他方式，对材料进行逐级加载载荷，以改变材料所受应力，同时测量声波波速随着应力变化关系，以此判断出材料弹性常数。这两种方式均需要进行复杂的实验，实验过程和数据处理过程较为繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，利用激光超声检测的优点，同时在保证精度的前提下减少实验平台的搭建和数据处理过程，利用裂纹尖端效应，实现对声表面波的反射和模式转换，避免了对横波信号纵波信号的检测，仅仅测量表面波便可实现对材料弹性常数的测定，极大地减少了实验设备，简化了数据处理过程，又能保证精度。
本发明采用以下技术方案：
基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，对待测材料进行预处理；然后利用脉冲激光激发出超声波，通过对反射波和模式转换波的测量，计算出待测材料的声表面波波速和横波波速，结合待测材料的弹性常数与波速之间的关系，对待测材料的弹性常数进行测定。
具体的，预处理具体为：
在待测材料表面加工一条裂纹，裂纹的宽度为0.1mm，深度为0.5～0.9mm，用于对待测材料声表面波的反射和模式转换。
进一步的，声表面波的一部分在经过裂纹时发生模式转换，将声表面波转换为横波，以横波模式在待测材料内部传播，在到达待测材料底部时发生回弹，再次经过裂纹转换成声表面波，并被探头接收到，其传播时间对应横波的传播时间，从而通过声表面波计算出横波波速。
更进一步的，横波波速cs计算如下：
Figure BDA0002024775040000021
其中，E为弹性模量，μ为泊松比，ρ为材料密度。
进一步的，声表面波遇到裂纹时，除发生模式转换外的剩余部分发生反射，利用表面波探头对反射波进行采集，并计算其波速。
更进一步的，表面波波速cr计算如下：
Figure BDA0002024775040000031
其中，ρ为材料密度，μ为泊松比，E为弹性模量。
具体的，剪切弹性模量G表示如下：
Figure BDA0002024775040000032
其中，μ为泊松比，E为弹性模量。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，根据裂纹的尖端效应，实现对声表面波的模式转换，结合激光超声的非接触等优点，从而只需要测量声表面波便可获得声表面波波速和横波波速，进而实现对材料弹性常数的测量，简化了实验平台和数据处理过程。
进一步的，裂纹上表面可以使实现对声表面波的反射，尖端可以实现其模式转换，避免了对纵波信号横波信号的采集，仅仅通过检测声表面波便可实现测量。由于采用裂纹反射波，可以采用同一探头对信号进行接收，减少了探头的使用。同时裂纹便于加工，且通过后续的处理，可以将裂纹去除，避免了对材料本身的影响。
进一步的，将裂纹设置成具有一定宽度、深度的裂纹，可以有效增加对声表面波的反射和模式转换率，提高声波测量精度和信噪比，从而通过一次激发便可进行测量，避免了激光的多次激发。
进一步的，由脉冲激光激发出的声表面波，一部分遇到裂纹时发生反射，一部分发生模式转换，可以同时采集反射波和经过两次转换的声表面波，进而测定声表面波波速和横波波速，由于这两部分都是声表面波，故可以采用同一个探头进行采集，减少了探头的使用。
综上所述，本发明通过在材料表面设置裂纹，可以同时实现对声表面波的反射和模式转换，避免了对纵波信号和横波信号的采集，仅仅通过测量声表面波，便可计算表面波波速和横波波速，进而进行弹性常数的测量。由于测量的是声表面波，采集设备较为简单。采用脉冲激光激发声表面波，效率高，实现了非接触性激发，对激光能量进行调节，可以根据需要进行热弹激发或烧蚀激发。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例测量示意图。
其中：1.激光器；2.探头；3.示波器；4.待测材料。
具体实施方式
本发明提供了一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，利用裂纹尖端效应结合激光超声技术实现对材料弹性常数的测量，利用裂纹的尖端效应，实现对声表面波的模式转换，从而仅仅需要测量声表面波而实现对材料弹性常数的测量，避免了对横波信号纵波信号的采集，简化了实验平台和数据处理过程。
本发明测量方法使用的测量系统包括激光器1、探头2和示波器3，激光器1设置在待测材料4的一侧，探头2与待测材料4的表面接触，并与示波器3连接，待测材料4上设置有裂纹，探头2根据激光器1发出的超声波实现对待测材料弹性常数的测定。
探头2为声表面波探头，用来接收声表面波，与待测材料之间涂有耦合剂，激光器1与待测材料之间的距离的两倍即为声表面波传播距离，在实验中采用不同距离，分别为5mm、10mm、15mm。激光器1的能量为120mj，光斑通过扩束镜和准直镜经聚焦透镜将光斑直径调整为1mm。
本发明一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，首先对待测材料进行预处理，在表面加工出裂纹以实现声波的反射和模式转换；然后利用脉冲激光激发出超声波，通过测量声表面波而计算出横波的波速，结合待测材料弹性常数与波速之间的关系，实现对材料弹性常数的测定。
预处理具体为：
在待测材料表面加工出一条具有一定宽度和深度的裂纹，裂纹宽度为0.1mm，深度为0.5mm、0.7mm或0.9mm，用于对声表面波的模式转换。
超声波分两部分，一部分声表面波在遇到裂纹时发生反射，利用表面波探头对其进行采集，并计算其波速；另一部分由于裂纹的尖端效应，在经过裂纹时发生模式转换，将声表面波转换为横波，以横波模式在材料内部传播，在到达材料底部时发生回弹，再次经过裂纹转换成声表面波，并被探头接收到，其传播时间对应横波的传播时间。
激光超声测量待测材料的弹性常数是建立在固体力学理论基础上，待测材料内部超声波传播速度与材料的弹性常数和密度有关，表面波波速cr表示如下：
Figure BDA0002024775040000051
横波波速cs表示如下：
Figure BDA0002024775040000061
剪切弹性模量G表示如下：
Figure BDA0002024775040000062
其中，ρ为材料密度，μ为泊松比，E为弹性模量。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
1、先在待检材料表面加工一条具有一定深度和宽度的裂纹，用于对声表面波的模式转换。
2、利用脉冲激光在材料表面激发超声波，并记录激励点与裂纹的垂直距离x。
3、利用声表面探头进行声表面波信号的采集，在接收到的信号中会得到若干波峰，图1中第1个波峰为直达波，第2个波峰为裂纹反射波，第3个波峰为在第一个奇异点(即裂纹上表面90°矩形拐点处)经过两次模式转换后的声表面波。
则波峰1和波峰2之间的时间差对应了声表面波的传播时间t1，传播距离为激励点与裂纹的垂直距离x的两倍，波峰2和波峰3之间的时间差对应了横波的传播时间t2，传播距离为材料厚度h的两倍。
4、根据以上信息，测得声表面波波速cr如下：
Figure BDA0002024775040000071
横波波速cs如下：
Figure BDA0002024775040000072
再根据波速与弹性常数关系式进行反演计算。
以金属纯铝为实验样本，进行初步验证实验，通过对0.5mm深度裂纹为例进行测量，激励点与裂纹垂直距离x分别为5mm、10mm、15mm，经计算泊松比μ为经计算为0.3209、0.3442、0.3356，弹性模量E为69.4891、71.7118、70.7186。与理论值泊松比μ0.33，弹性模量E70对比，误差可控制在3％。
除此之外，还测定了0.7mm、0.9mm裂纹，误差均控制在3％。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，其特征在于，对待测材料进行预处理；然后利用脉冲激光激发出超声波，利用裂纹实现声表面波的反射和模式转换，通过采集声表面波计算待测材料的声表面波波速和横波波速，结合待测材料的弹性常数与波速的关系，对待测材料的剪切弹性常数G进行测定；
预处理具体为：
在待测材料表面加工一条裂纹，裂纹的宽度为0.1mm，深度为0.5～0.9mm，用于对待测材料声表面波的反射和模式转换，声表面波的一部分在经过裂纹时发生模式转换，将声表面波转换为横波，以横波模式在待测材料内部传播，在到达待测材料底部时发生回弹，再次经过裂纹转换成声表面波，并被探头接收到，其传播时间对应横波的传播时间，记录激励点与裂纹的垂直距离x；在接收到的声表面波信号中得到若干波峰，第1个波峰为直达波，第2个波峰为裂纹反射波，第3个波峰为在第一个奇异点经过两次模式转换后的声表面波；第1个波峰和第2个波峰之间的时间差对应声表面波的传播时间t1，传播距离为激励点与裂纹的垂直距离x的两倍，第2个波峰和第3个波峰之间的时间差对应了横波的传播时间t2，传播距离为材料厚度h的两倍，横波波速cs计算如下：
Figure FDA0002728761470000011
其中，t2为第二个波峰与第三个波峰之间的时间差，h为材料厚度；
声表面波遇到裂纹时，除发生模式转换外的剩余部分发生反射，利用表面波探头对反射波进行采集，并计算其波速，表面波波速cr计算如下：
Figure FDA0002728761470000012
其中，t1为第一个波峰与第二个波峰之间的时间差，x为激励点与裂纹之间的垂直距离；
在获得声波波速后，根据声波波速和弹性常数之间对应关系获得弹性常数如下：
Figure FDA0002728761470000021
Figure FDA0002728761470000022
其中，ρ为材料密度，μ为泊松比，E为弹性模量；
剪切弹性模量G表示如下：
Figure FDA0002728761470000023
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