李旻昊

（智奇鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

隨著冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬材料的種類也越來越多，如鎂鋁合金、鎳鉻合金等人工合金大量出現(xiàn)，對(duì)材料各項(xiàng)性能進(jìn)行研究和準(zhǔn)確測(cè)定是決定其最終用途的基礎(chǔ)。其中，彈性模量是影響的材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其直接關(guān)系到材料抵御外界作用力引發(fā)形變的能力，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，所以對(duì)金屬材料彈性模量的測(cè)定便顯得尤為重要。

一般的，對(duì)金屬材料彈性模量進(jìn)行測(cè)定的主要方法有動(dòng)態(tài)法、靜態(tài)法兩種。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 22315-2008金屬材料 彈性模量和泊松比試驗(yàn)方法》[1]的相關(guān)要求，采用靜態(tài)法對(duì)金屬材料彈性模量進(jìn)行測(cè)定，主要原理是對(duì)試樣施加軸向力，記錄其在彈性范圍內(nèi)的軸向變形，根據(jù)胡克定律，利用應(yīng)力應(yīng)變間的線性關(guān)系來進(jìn)行測(cè)定，其缺點(diǎn)是，在檢測(cè)結(jié)果當(dāng)中會(huì)容易受到諸多的檢測(cè)條件制約與影響，較難獲得準(zhǔn)確的結(jié)果；采用動(dòng)態(tài)法測(cè)定的原理是通過檢測(cè)機(jī)械共振頻率的方式來確定材料模量。標(biāo)準(zhǔn)中推薦采用懸絲耦合共振的測(cè)定方法，需要使試樣分別處于彎曲、縱向及扭轉(zhuǎn)共振狀態(tài)并測(cè)定其共振頻率，操作較復(fù)雜。

而隨著測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)的測(cè)試方式也更加多元化、精細(xì)化。利用超聲波對(duì)彈性模量進(jìn)行測(cè)定，方便快捷，對(duì)試樣無損傷，且受操作人員主觀判斷較少，是一種可靠高效的檢測(cè)方法。其原理是通過檢測(cè)待測(cè)金屬材料的多種模式超聲波聲速（至少兩種，常見的是四種），例如金屬材料內(nèi)部縱波L，橫波T，表面波S等在其內(nèi)部的傳播速度來建立一定的數(shù)學(xué)模型從而測(cè)定其彈性模量，其適用范圍也不僅局限于金屬材料，也可對(duì)其他非金屬材料的彈性模量進(jìn)行測(cè)定。以下簡(jiǎn)要闡述通過超聲法對(duì)彈性模量進(jìn)行檢測(cè)的原理和過程。

1 金屬材料彈性模量測(cè)定

（1）測(cè)量原理。超聲波是指?jìng)鞑r(shí)的振動(dòng)頻率超過人耳能聽到的20Hz~20kHz范圍的聲波。超聲波是一種機(jī)械波，在傳播過程中符合波的傳播特性。波就是振動(dòng)的傳播，通過介質(zhì)傳播。橫波和縱波是波的兩種類型，橫波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波，縱波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向平行的波。當(dāng)傳播介質(zhì)為液體或氣體時(shí)，超聲波只以縱波的形式傳播。當(dāng)傳播介質(zhì)為固體時(shí)，超聲波以縱波和橫波的形式傳播。超聲測(cè)量彈性模量的理論基礎(chǔ)是瑞利方程和克里斯托費(fèi)爾彈性理論，即根據(jù)材料的密度、聲波在材料介質(zhì)中的傳播速度以及聲速與彈性模量之間的關(guān)系來執(zhí)行材料的彈性模量[2]。

超聲測(cè)量法依據(jù)激發(fā)源的不同而分為兩種方法：壓電超聲法和電磁超聲法。壓電超聲法測(cè)量結(jié)果的精確度與其耦合劑的耦合效果有關(guān)，所以其測(cè)定精度具有較大不確定性。而電磁超聲法是一種依靠電磁感應(yīng)和電磁致伸縮原理在工件中產(chǎn)生和接收超聲波的方法，電磁超聲探頭不需要接觸工件，不需要偶聯(lián)劑，對(duì)測(cè)量材料和測(cè)試環(huán)境沒有硬性要求，且允許被測(cè)材料表面不平、油漆、生銹等，而且其重復(fù)性更好，測(cè)量精度更高。

根據(jù)彈性模量的相關(guān)理論研究可知：在線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng)的各向同性固體介質(zhì)中，彈性模量可通過以下公式計(jì)算得出：

其中，材料彈性模量為E，密度為ρ，泊松比為σ，超聲波縱波聲速為cL。

如果超聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于各向同性桿狀介質(zhì)的直徑時(shí)，則超聲波在桿件中會(huì)以導(dǎo)波的形式進(jìn)行傳播。此時(shí)，彈性模量的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為公式(1.2)。

公式(1.1)表明，除傳播的介質(zhì)直徑遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)的情況外，則需要得到所求金屬材料的密度、泊松比、超聲波在該材料中傳播的縱波聲速，就可推算出該金屬材料的彈性模量。上述三個(gè)參量中，密度可通過查閱相關(guān)資料獲得，泊松比需通過計(jì)算求得，縱波聲速通過實(shí)驗(yàn)獲得。

泊松比σ的計(jì)算方式如公式(1.3)所示，cL為超聲縱波在金屬材料中的傳播速度，cT為超聲橫波在金屬材料中的傳播速度，縱波聲速cL和橫波聲速cT是計(jì)算上述參量的基礎(chǔ)變量。

綜上所述，只需測(cè)得金屬材料中超聲波的傳播速度，即可通過計(jì)算求得彈性模量E 、泊松比σ等參數(shù)。

當(dāng)超聲波射入至待測(cè)金屬工件表面時(shí)，會(huì)在待測(cè)金屬表面產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的通道來發(fā)生縱波和橫波。在激發(fā)源發(fā)射電磁波進(jìn)入待測(cè)金屬時(shí)，縱波的發(fā)射效率高于橫波，而由于超聲波的接收是其發(fā)射的逆過程，所以在接收的時(shí)候，接收器對(duì)縱波的接收效率要大幅低于對(duì)橫波的接收效率。

2 實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。本次實(shí)驗(yàn)選用的是便攜式超聲檢測(cè)儀PREMAT-HS300和電磁超聲橫波換能器，建立如下圖所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，待檢測(cè)金屬為切割下來的某長(zhǎng)方體車輪鋼，尺寸為300mm*60mm*40mm，并且將電磁超聲波轉(zhuǎn)換器放在300mm*60mm的平臺(tái)上，距離工件的位置是170mm~35mm，具體如下圖所示。

圖1 電池超聲波轉(zhuǎn)換器

（2）實(shí)驗(yàn)步驟。首先第一步就是將電磁超聲波檢測(cè)儀的發(fā)射頻率上調(diào)至4兆赫茲，其激勵(lì)電壓下調(diào)到1200Vpp，延時(shí)設(shè)置為10微秒。然后將采集樣本時(shí)間設(shè)置為85微秒以排除干擾，增益設(shè)置為自動(dòng)增益。隨后就可以在檢波儀上看到3個(gè)比較大的波峰，這就是橫波的Top1、Top2、Top3，而且其會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)形式下降，這是由于超聲波的傳播衰減造成的。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。提取電磁超聲檢測(cè)儀接收的超聲波信號(hào)，對(duì)信號(hào)平均并取包絡(luò)：

圖2 超聲波信號(hào)

波包表示橫波激發(fā)模式轉(zhuǎn)換為縱波和縱波激發(fā)模式轉(zhuǎn)換為橫波的兩個(gè)波包的疊加，其他同理。從圖中可以看出縱橫波的最大幅值與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間關(guān)系表：

表1 橫波MAX幅值對(duì)應(yīng)時(shí)間表

則從表中數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出，橫波的平均傳播時(shí)間為24679.55ns，結(jié)合其距離為80.04mm，則計(jì)算出其平均速度為3243.17，其值與Top1十分接近，這說明系統(tǒng)偏差較小，計(jì)算出的橫波聲速較準(zhǔn)確。

表2 縱波MAX幅值時(shí)間對(duì)應(yīng)表

根據(jù)上表數(shù)據(jù)分別計(jì)算波包LOP1，WOP 1，WOP 2，WOP3和WOP4的傳播速度分別為5971.57，5983.29，5929.33，5931.55，5919.21m?s?1，將平均值5949.99m?s?1記為待測(cè)樣品中超聲縱波的聲速。由于其波包小、振幅小，直接影響了縱波的傳播速度，使縱波的傳播速度上下波動(dòng)較大。

根據(jù)計(jì)算得出的橫波、縱波傳播速度，金屬材料密度7.86×103，代入公式(1.3)及(1.1)，計(jì)算得出唄測(cè)金屬材料的彈性模量和泊松比分別為

3 結(jié)論

隨著超聲波理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用的發(fā)展，聲波速度測(cè)量方法逐漸成為一種可靠的測(cè)定材料彈性模量的方法。本文簡(jiǎn)要介紹了磁超聲波檢測(cè)原理及基于該原理的測(cè)定金屬材料彈性模量的方法，并通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證了該方案的便捷性和有效性。