基于声表面波技术检测金属材料表面加工损伤的研究.doc

基于声表面波技术检测金属材料表面加工损伤的研究天津大学硕士学位论文姓名：张磊申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：林滨2011-12摘要声表面波检测技术能够准确、快速且简易地测量介质表面以下的 物理性能，具备现有检测技术所缺少的综合优点因此深入透彻地研 究该项技术可以简化工业现场中加工件表面完整性的测量步骤，缩短 测试时间，提高测试效率，为保障产品的使用寿命和安全可靠性提供 更有效地手段本课题通过理论分析、有限元仿真和实验研究这三条技术路径, 对激光声表面波探测典型金属加工表面损伤技术进行了研究1、 从理论方面，研究半无限大介质内弹性波的波动方程，分析 了分层材料内表面物理性能相对弹性波传播速度的相对关系，为后续 研究工作提供了理论支持和技术假设2、 从仿真方面，建立了含有不同尺寸裂纹模型，分析对比不同 的载荷函数和加载类型对仿真结果的影响，进而提出了更加贴近现实 的载荷形式从时域和频域角度，研究了声表面波在模型表面以下的 传播过程和不同尺寸裂纹对其幅值衰减效应和相速度的影响3、从实验方面，设计出适用于本实验系统的传感器装置，搭建 了基于激光触发/压电薄膜探测声表面波测试装置，并对所备试件进 行了检测。

经过上述研究，从仿真角度验证了声表面技术检测典型金属试件 内裂纹的可行性，获得了频域内相速度曲线以及裂纹尺寸对该曲线的 相对作用关系完成了压电薄膜传感器装置的设计和实验测试设备的 搭建，并在所测试件表面上获得了有效的超声振动信号关键词：声 表面波表面损伤杨氏模量相速度频域分析ABSTRACTSurf aceacous t i cwavedetect i o ntechnologyhas thecapac i t y o f a c curate 1 y,qu i ckandeas i 1 y m e a s u r i ngthephys icalpropert i e s i n t h e s urf aceofmed i a,wi thsomeadvantag esthatothercurrenttest i n g m e t h ods lackof. Therefore, adeepandth oroughinvest i g a t i o n o f t h i s t e c h no 1 o g y w i 1 1 contri butetos impl i f ym^themea surement p roce s sof s u r faceintegri tyinindustry, savingtest i n g t ime, improvingtest i n g e fncy,andprovidingarel i a b 1 e ngmethodthatcouldassuretqua1 i t y . safetyandl i f espanofwThroughthi n i teeicwavedetectkwerestudied.1 . Inthetheoret icalpart, t h e e 1 t i cwaveequa t i o n i n a s e m i — i n f ia, and thewavep ropaga t i ononaayeredma te r i a loaswe 1 1 a s i tt iononphaseveloci t y h a u d i ed,wh i c h p r o v i d e d t h ei sforthefurth2 . I n t h e s i m uion part, b y m e a nf e s t a b 1 i s h is e r i esofmode Iswithdifferentsiz e o f surfacecracks,s imul at ionresul t sand impactsfromdifferen softheloadtype velopeandf r e q u nshavebeencomp thenanove 1 a n d m d f u n c t i o n h a s b e t i m e a n d f r e q u e n faceacousticwa amodelwithatte d i tsinfluenceo deandphasevelo acecrackhasbee3 . Intheexper rasensingdevic urrent laser — ge experimentalsy gnedandcons t r u riesofukrasoni ndetectedonapr e e 1 s a m p 1 e .Throughtheab physicalnature anddifferenten ncyloadfunct i o redandana 1 y z e d , r e r e a 1 一 1 i k e 1 o a nproposed. I n t h e ydomains.thesur epropagat i o n i n u a t ingeffectan thewaveamp 1 i t u i t y f romthesurf studied.mentalpart, a f t e s u i tabletothec erated/PVDFS AW temhasbeendes i ted, a n d t h e n , a s e signal shavebee paredgrindedst veresearch. t h e fe a s i b i 1 k)7ofdetect ingsurfacecracks i n s tee 1 samp 1 ebymeansofSAWhasbeenpd,andtherelat i o n b etweenphaeveandthediameencydoma i n ai on.Theexp emandthePgnedandcod. Additional1 y , a s e r i e siveukrasonicvibrat i o n sbeenobta i n e d .KEYWO R D S. s uurfacecrack,Young"sevelocity,f第一章绪论 弟一旱殖记第一章绪论1 . 1理论基础与研究现状随着科技的迅猛发展，以周温、周压、IW］速度和局负荷为标志的现代工业，对产品质量的要求也越加严格。

作为产品质量控制和设备 安全运行保障的主要手段，检测技术在现代制造业中发挥着其至关重 要的作用，享有“工业卫士”的美誉与损伤性检测技术相比，无损 检测技术能够在保证产品优异质量的前提下，不破坏产品原来的形状,确保其使用性能和安全可靠性，适应现代工业技术的发展潮流1. 1. 1无损检测技术无损检测是运用多种物理和化学现象，包括力学和光学、弹性波、 射线照射、电场、磁场、热场等手段，并结合计算机数据图像处理技 术、图像识别与合成技术、以及自动化检测技术，在不损害检验对象 的条件下，能够有效地对各种工程材料、零部件、结构件和其他工业 产品进行检验和测试，评价其的安全可靠性、连续性、表面完整性及 其它物理性能其中探测材料或构件的完整性中的加工表面完整性主 要包括两方面：一是表面形貌检测，研究试件表面与周围环境界面间 的几何特征，一般为表面形貌、表面粗糙度、表面缺陷等；二是表面 损伤检测，研究表面中的微裂损伤、残余应力、表而硬化、金相组织 变化、和表面变质层的检测通过分析损伤的形状、大小、分布、取 向、方位和程度、金相组织分布、应力状态以及某些机械和物理量反 应检测构件表面的综合信息因此，无损检测工序在材料和生产产品 的静态、动态检测以及质量管理中，己成为一个不可或缺的重要环节, 被各个行业广泛应用11J。

力学、光学检测及光电显微技术主要包括：目视法、内窥镜、渗 透法、激光全息照相技术、扫描电子显微镜、光弹性覆膜法、脆性涂 层、泄露检查、和应力测试等目视法是依靠人眼直接观察或依靠望 远镜、袖珍显微镜或摄影机等辅助器材对试件表面的完整性来进行评 价优点是直观、简捷、经济、检测位置较为自由、并且检测缺陷的 能力较强；缺点是仅限于表面缺陷的检测，且检测结果易受到主观因素的影响因此常与图像处理技术伴随使用对于显微技术而言，很难在提高分辨率同时，乂满足扩大视场的要划引【3 J第一章绪论渗透检测法可以分为着色法和荧光法该方法原理简单，方法灵 活，容易操作，适应性强，能够检查各种材料，并且不受工件尺寸大 小和几何形状的影响但是缺点是在于操作工艺程序较为复杂，无法 发现非开口于表面的内部缺陷、皮下缺陷和夹渣，检验缺陷的重复性 比较差，不宜用于检验多孔材料或多孔性表面缺陷工业生产中，液 体渗透检测常常被应用于检验非多孔性的黑色以及有色金属材料和 非金属材料的缺陷测量【2儿3 | o激光全信息照相技术的优点是非接触式、可遥感、直观显示三维 结果，可提供全视场结果，检测灵敏度高，安装调试方便，且不受材 料和形状的限制；缺点是只能用于厚度小的薄材料，检测能力随深度 增加而减小，设备昂贵，对环境因素要求严格3 1 o扫描电子显微镜（s EM）同样是近几十年来发展比较迅速的电 子光学检测技术。

目前最先进的场发射扫描电子显微镜放大倍数可从 低倍至几十万倍，分辨率为1纳米扫描电子显微镜的成像原理与光 学显微镜有所差异，它主要在材料样品表面上利用细聚焦高压电子束 扫描时激发产生的某些物理信号来调制成像，与电视摄影的显像方式 相仿它能够直接观察样品表面的内部结构，并且可以从各种角度对 样品进行观察，电子束对样品的损伤与污染程度也较小目前，s E M技术己经应用于工程材料中缺陷和表面晶相结构的检测与分析，对于进一步研究加工产品的表面损伤有很大的帮助【2 3 1 o射线检测主要包括：X射线、y射线、中子射线、质子和X光工 业电视等技术射线检测是现阶段较为常见方法，其中最具代表性的 方法当属X射线检测技术射线检测的基本原理是利用X射线、Y射 线及中子射线等容易穿透物体，但易受到吸收及散射而衰减的特性, 在感光材料上得到不同黑度的图像，并与材料内部结构和缺陷对应起 来，以此检测和评价物体内部缺陷的种类、大小、分布状况，适用于 检测金属与非金属零件、部件或者组件在其材料密度或厚度上呈现出 的差异的特征由于该项技术有着直观形象的检测特点，且较容易判 断其尺寸和性质，因此与图像处理技术相结合还可以做到自动化评定 分析。

此外，射线检测在检测过程虽然不存在污染问题，属于现代工 业中的一种必不可少的方法，但射线检测对人体有危害，在检测中必 须做到充分防护与其他几种无损检测方法相比，射线检测的成本费 用较高，操作程序复杂，而且受试件厚度范围局限例如目前还不能 用射线检测法检测厚度大于5 0 0 mm的钢板一般来说，射线检测 法仅能检测与射线束方向平行的密度或者厚度上的明显异常，检测平 面型缺陷（例如裂纹）的能力取决于被检测件是否处于最佳辐照方向1 2 ?3 1 o超声波主要包括超声投射、超声成像、超声共振、超声频谱、超 声脉冲反射、声振检测和电磁超声等其适用于无损检测的主要原因 在于以下几个特性：当超第一章绪论声波在介质中传播时，遇到界面则发生折射和反射：超声波的指 向性好，而且频率越高，指向性则越好；超声波的传播能量大，对各 种材料都有着很强的穿透能力另外其特点还包括适应性强、检。