基于超声波水浸点聚焦探头测量材料弹性模量的方法研究

　　0引言
　　弹性模量是描述材料弹性阶段力学行为的工程指标，是屈服强度、硬度和残余应力等力学性能测量与评定的基础。因此，简便可行的弹性模量表征方法及测量技术，对于材料制备工艺的评价和力学性能的表征具有重要的学术意义。
　　目前测量材料弹性模量的方法有静态拉伸法和动态法。静态拉伸法需要对被测试样进行拉伸、扭转加载，具有破坏性。动态法包括共振法和超声波法。共振法发展比较成熟，应用较为广泛，但存在难以获得共振频率、易受操作人员主观判断影响等缺点。超声波法基于超声声速与固体材料弹性特性之间的关系，通过测量超声纵波声速与横波声速来实现材料弹性模量的测量，具有无损伤、测量简便、适用范围广等优点。传统的超声波法需要多次调整探头入射角度或者需要多个探头配合才能获得材料的纵波声速和横波声速，测量过程繁复；或者将泊松比或表面波声速与纵波声速的比值近似为己知定值，此时利用单一模式的超声波声速即可表征金属材料的弹性模量，但测量结果的准确性受到影响。
　　本文基于超声波斜入射至异质界面时的波型转换原理，提出了一种利用水浸点聚焦探头来测量材料弹性模量的方法。该方法只需单个水浸点聚焦探头进行单次声波入射即可实现弹性模量与泊松比的测量。并通过对轧制铝和镍试样的实际测量，验证了该方法的合理性。
　　1测量原理
　　依据声波在无限大各向同性固体介质中的传播规律，可以推导材料的弹性模量、泊松比与纵波声速、横波声速、密度之间的关系，即测量原理依据声波在无限大各向同性固体介质中的传播规律，可以推导材料的弹性模量、泊松比与纵波声速、横波声速、密度之间的关系，即
　　式中：P为材料的密度；v1为纵波声速；v8为横波声速；E为弹性模量；为泊松比。由式（1）（2）可知，只要确定了纵波声速与横波声速，再结合材料密度值即可计算弹性模量E和泊松比。材料的纵波声速值与横波声速值采用超声波水浸聚焦技术进行测量，具体原理为：将水浸点聚焦探头的声束聚焦于材料的底面，此时在材料上表面与水的界面产生反射回波尸，；偏离主声束轴线的超声波以小于第一临界角的角度a斜入射到材料之中，在材料上表面与水的界面产生折射纵波，折射角记为户折射纵波在材料下表面与水的界面反射时，产生反射纵波P2与反射横波P3。
　　假设材料表面反射回波P1、反射纵波P2与反射横波P3对应的声时分别为t1，t2与t3，则可得反射纵波在材料中的传播时间为t12t2t1，反射纵波与反射横波传播的声时差为t23t3t2。
　　式中v水，v1与v8分别为水的声速、材料的纵波声速与横波声速；与分别为纵波折射角与横波折射角。入射角为己知参数，可通过不锈钢试样进行标定，将测量的纵波声速v1，横波声速v8与材料密度代入式（1）式（2），即可计算得弹性模量E和泊松比。
　　2实验
　　2。1实验装置
　　超声测量系统包括超声波探伤仪、水浸点聚焦探头、三维步进装置、数字示波器以及计算机，其水浸点聚焦探头的中心频率为20MHz，晶片直径为6。0mm，焦距为19。0mm。
　　2。2入射角a的计算
　　将水浸点聚焦探头的声束焦点聚焦于不锈钢试样的底面，回波信号记下此时不锈钢试样表面回波P1的声时t115。74us和底面反射纵波P2对应的声时t216。61us。
　　3结论
　　本文提出一种基于水浸点聚焦超声波探头测量材料弹性模量的方法，并分别对厚度约为2mm的轧制铝、镍试样进行测量，测量结果满足误差要求。同时可知该方法可测量的材料厚度范围与探头的焦距、脉冲宽度、入射角以及材料的声速有关。相对于常规超声方法，该方法只需单个水浸点聚焦探头进行单次声波入射，测量过程简单方便，具有一定的应用前景。