基于声学显微镜技术的小尺寸材料弹性常数超声测量方法研究

论文摘要

随着性能优异的新型材料不断出现,迫切需要对材料的力学及其他物理性能进行测定。但由于制备工艺的原因,一方面,制备满足常规力学性能测试用的大尺寸试件十分困难,如块体纳米材料、金属玻璃等;另一方面,材料的力学性能(如弹性常数等)时常会呈现各向异性。因此,研究这类材料/结构的力学性能(弹性性质)的表征方法与测量技术,对于评价材料的制备工艺和表征材料的力学性能,具有重要的学术意义和广阔的应用背景。本文针对小尺寸块体材料弹性常数的测定问题,主要完成了以下工作:(1)提出了一种基于声学显微镜技术的材料弹性常数超声测量方法。基于材料力学性能声学表征,利用纵波与漏表面波波速表征材料的弹性常数,建立了完备的小尺寸材料弹性常数超声表征与测量方法。(2)开发了一套完整的小尺寸材料弹性常数超声测量系统,包括:设计制作了高频无透镜大孔径柱面线聚焦PVDF超声探头;构建了以PXI总线嵌入式控制器为核心,以四轴精密运动机构为测量平台,利用超声波激励/接收装置,通过PVDF柱面线聚焦探头发射超声波和接收回波信号,经高速数字化分析仪等,可实现超声信号自动采集和分析处理的系统。开发了一套在空间域同时测定纵波与漏表面波速度的方法及波形处理算法程序,实现了小尺寸材料弹性常数自动测量。实验结果表明,回波信号清晰可辨,信噪比高,可满足信号分析与处理的需要,为小尺寸材料弹性常数的准确测量提供了可靠保证。(3)利用小尺寸材料弹性常数超声测量系统对常规材料,如:铝、铜、碳钢、钛合金等小尺寸试件材料弹性常数进行超声实验测量和误差分析。结果表明,测量结果准确度高,完全满足工程及科学研究的要求。(4)针对非晶材料、纳米材料和非金属小尺寸等非常规材料弹性常数进行了试验研究,并与其它方法所得结果进行了对比,结果吻合较好。说明超声无损测量法,克服了压痕法不能测试材料的泊松比,且为有损检测等不足。(5)利用超声测量系统对冷轧钢板、电子束焊焊缝等特殊材料或区域进行了实验研究。结果表明该方法可以用于测量像冷轧钢板这类由于加工工艺所致的各向异性材料。同时可用于测量微区的力学性能,以便研究材料的力学性能变化梯度。(6)在对表面波波速较低的材料(如钆)进行超声法力学性能测试时,针对耦合液中波速对漏表面波波速测量范围的影响与限制,采取了低波速耦合液。由此,解决了水浸法被测材料的表面波速过低引起测量结果奇异的问题,拓宽了现有系统可测试材料的范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 新材料的力学性能测试技术研究进展
• 1.3 超声显微镜技术研究进展
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 材料弹性常数超声测量方法基本原理
• 2.1 材料弹性常数的声学表征
• 2.2 超声纵/横波测量技术
• 2.2.1 接触式测量纵波波速和横波波速
• 2.2.2 非接触式测量纵波波速和横波波速
• 2.3 超声显微镜技术
• 2.3.1 激光扫描声显微镜
• 2.3.2 超声显微镜
• 2.4 声透镜
• 2.4.1 点聚焦平面成像检测
• 2.4.2 线聚焦成像检测
• 2.4.3 显微镜分辨率
• 2.5 纵波和表面波波速的超声测量
• 2.6 本章小结
• 第3章 小尺寸材料弹性常数超声测量系统研制
• 3.1 系统组成
• 3.1.1 NI PXI总线模块化嵌入式微机测控系统
• 3.1.2 超声脉冲产生/接收仪
• 3.1.3 四轴精密运动平台
• 3.2 线聚焦PVDF探头研制
• 3.2.1 探头换能元件的选择
• 3.2.2 探头结构参数的确定
• 3.2.3 探头性能参数的数值模拟
• 3.3 材料弹性常数超声测量软件
• 3.4 超声测量系统弹性常数测量过程
• 3.5 本章小结
• 第4章 常规材料弹性常数超声测量实验与误差分析
• 4.1 常规小尺寸材料弹性常数超声测量
• 4.1.1 测量结果及分析
• 4.1.2 测量误差分析
• 4.2 钛合金材料弹性常数超声测量法与常规实验方法的对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 非常规材料弹性常数超声测量法实验研究
• 5.1 熔融硅弹性常数超声测量法与纳米压痕实验法的对比
• 5.1.1 纳米压痕技术
• 5.1.2 熔融硅小尺寸材料弹性常数超声测量方法
• 5.2 小尺寸压电陶瓷试件弹性常数超声测量法实验研究
• 5.2.1 压电陶瓷试件
• 5.2.2 弹性常数测定
• 5.2.3 测量误差分析
• 5.2.4 温度对弹性常数超声测量结果的影响
• 5.3 块体纳米材料弹性常数超声测量
• 5.3.1 Fe-B-S块体纳米材料弹性常数测量
• 5.3.2 Ti-Nb-Zr非晶材料弹性常数测量
• 5.4 非金属试件弹性常数超声测量
• 5.4.1 玻璃试件超声测量实验
• 5.4.2 双层PCB印刷线路板
• 5.5 本章小结
• 第6章 特殊材料弹性常数超声测量法实验研究
• 6.1 特殊材料弹性常数的测定
• 6.2 冷轧钢板弹性模量的超声测量
• 6.3 钛合金高聚能电子束焊力学性能研究
• 6.3.1 钛合金高聚能电子束焊的基本特性
• 6.3.2 焊缝影响区力学性能超声测量过程
• 6.3.3 焊缝影响区力学性能超声测量结果
• 6.4 本章小结
• 第7章 耦合液波速对弹性常数超声测量法影响研究
• 7.1 探头孔径角与耦合液波速对表面波波速的影响
• 7.2 纳米材料钆Gd弹性常数超声测量
• 7.2.1 常规金属原材料钆Gd的超声测量
• 7.2.2 问题分析
• 7.2.3 金属原材料钆Gd拉伸实验
• 7.2.4 硅油耦合液测量结果
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢