使用非线性超声波检测淬火状态马氏体钢的影响

非线性超声波法与用于无损检测的普通线性超声波不同，非线性超声波测量通常利用谐波产生现象。一幅度为A₀、频率为ω₀的超声纵波随着其在试件中的传播将会畸变，而能量将会从原先的基波转移到谐波；如果A₀足够大，则在试件中可探测到幅度为A₁、频率为ω₀的分量，幅度为A₂、频率为2ω₀的分量，……。这种声谐波的产生是材料偏离线弹性应力-应变关系的一种现象。材料非线性应力-应变行为起因于在非常低的应变幅度下点阵、位错运动的非抛物线势或其他微观缺陷，如晶粒边界及不同形式的界面。因此，检测受到力学或环境变化作用的材料中所形成的谐波大小，即可对由之而引起的损伤情况作出评估。

作为非线性的量度标准，将参数β规定为二阶弹性模量C_ij和三阶弹性模量C_klm的组合，例如对于在各向同性材料中的纵波，β=3+（C₁₁₁/C₁₁）。参数β也可用基波和二次谐波位移幅度A₁和A₂来表达

式中 K——ω₀/C_l超声纵波的波矢，由相速度C_l和基频ω₀确定；

Z——传播距离（试样厚度）。

图10.3-30所示为用激光干涉仪进行非线性超声波试验的原理图。干涉仪发出的激光被分裂成两束：一束射向试样表面后反射，另一束则从参考反射镜反射。在超声波作用下，试件表面的瞬态位移将使所测得的两束反射光重新组合的光信号幅度产生影响。激光干涉仪法较之压电或电容法，其优点是：非接触；当采用聚焦透镜时，激光束直径典型的是20μm，试件表面有较小的平整区即可；聚焦也可改善空间分辨力，可对超声波场作逐点测量；最重要的是如果位移相对于激光波长是小的，则测得信号和超声波位移之间的关系简单。

图10.3-30 用激光干涉仪进行非线性超声波试验的原理图

非线性超声波测量在诸如高温合金脆化、两铝板间胶接质量的检测中已有使用。表10.3-1则列出了在淬火状态马氏体钢试样中，碳含量对非线性超声波参数β和纵波速度C_l的影响。可以看出：β对于试样之间微观组织的变化是敏感的（如图10.3-31所示），而C_l则不敏感。表中对于每一试样的C_l和β，是用相对于9310钢试样的C_l和β₀表示的。X射线衍射试验表明：在试样中位错密度是高的（约10¹¹/cm²），并随碳含量的增大而增大。可以看出，β的增大是由于在淬火试样中内应力影响到位错引起的。(www.xing528.com)

表10.3-1 在淬火状态马氏体钢试样中，碳含量对非线性超声波参数β和纵波速度C_l的影响

图10.3-31 淬火状态钢试样的光学显微照片（放大1000×）在每张照片中，水平黑线相当10μm

本章中常用的弹性常数换算表如表10.3-2所示。

表10.3-2 弹性常数换算表