使用超聲測量彈性性能的方法
【專利摘要】一種使用超聲測量彈性性能的方法，本發(fā)明涉及一種用于確定具有彎曲表面的部件的彈性性能的方法，包括朝著所述部件表面上的沖擊點發(fā)射超聲波射束以便在所述部件內(nèi)生成波，其特征在于，已知所述部件在所述沖擊點處在第一方向D1上的厚度d和在形成相對于所述第一方向確定的角度α的第二方向上的厚度d2，取得所發(fā)射的縱向超聲波行進(jìn)距所述沖擊點的距離d1所用的時間的第一測量量t1，所發(fā)射的橫向超聲波行進(jìn)距所述沖擊點的距離d2所用的時間的第二測量量t2，基于縱向速度VL＝d1/t1和橫向速度VT＝d2/t2確定材料的楊氏模量和/或泊松比。
【專利說明】使用超聲測量彈性性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非破壞性測試方法且更特別涉及通過超聲非破壞性地確定各向同性金屬材料的彈性性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]存在對可用來確定同質(zhì)和各向同性材料制成的部件的彈性性能(諸如楊氏模量或泊松比)的方法的永久需要。存在對與具有彎曲外表面的部件有關(guān)的方法的特定需要。已經(jīng)知道對于平面部件而言使用超聲波來確定楊氏模量，但是對于復(fù)雜部件來說，在外表面彎曲的情況下，難于正確地放置發(fā)射器和接收器以便獲得可靠的結(jié)果。
[0003]用于計算復(fù)雜部件的彈性縱向模量一楊氏模量一的已知方式包括生產(chǎn)啞鈴形測試件，該啞鈴形測試件放置在拉力測試機的鉗口之間。然而，并不是總能夠生產(chǎn)出啞鈴形測試件或者對于一些材料來說可能是非常昂貴的。另外，測試件的形狀與所使用部件的形狀常常非常不同。取決于制造部件的方法，測量它們的彈性模量可能是不相干的。
[0004]本 申請人:設(shè)定目標(biāo)是改善檢驗復(fù)雜部件的非破壞性方法，特別是改善檢驗具有彎曲形狀的復(fù)雜部件的非破壞性方法，并且提出使用超聲波來確定彈性性能，諸如彈性的縱向模量和泊松比。
[0005]US3, 416，265描述了使用縱向和橫向波行進(jìn)通過已知厚度的材料的測量量確定具有彎曲表面且已知厚度的部件的彈性性能，然而它沒有教導(dǎo)其應(yīng)用于在不同方向上具有兩個厚度的部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]依據(jù)本發(fā)明，一種用于確定具有彎曲表面的部件的彈性性能的方法，包括朝著所述部件表面上的沖擊點發(fā)射超聲波射束以便在所述部件內(nèi)生成波的傳輸，其特征在于，已知所述部件在所述沖擊點處在垂直于該點切面的第一方向D1上的厚度Cl1和在形成相對于所述第一方向確定的角度α的第二方向D2上的厚度d2，
[0007]所發(fā)射的縱向波在所述部件內(nèi)行進(jìn)距所述沖擊點距離Cl1所用的時間h的測量量;
[0008]所發(fā)射的縱向波在所述部件內(nèi)行進(jìn)距所述沖擊點距離d2所用的時間t2的測量量;
[0009]取得上面測量量。
[0010]基于縱向速度\ = Cl1Zt1和橫向速度Vt = d2/t2確定材料的楊氏模量和/或泊松比。
[0011]優(yōu)選地,發(fā)射超聲波的射束通過耦合流體,諸如水。
[0012]該方法有利地可應(yīng)用于由各向同性材料制成的部件。
[0013]更特別地，該方法可應(yīng)用于球形部件，Cl1對應(yīng)于該球體的直徑而d2對應(yīng)于形成所述角度α的弦的長度。例如，該方法有利地可應(yīng)用于金屬球的檢查，特別是由不銹鋼制成的金屬球的檢查；對于由諸如Si3N4、SiC或者ZrO2制成的陶瓷材料的球(其用在軸承中)而言，它還具有特定的值。然而，該方法不限于球形部件并且可以應(yīng)用于在模型、特別是計算機模型范圍內(nèi)的更復(fù)雜形狀，可用于使得能夠在部件內(nèi)部數(shù)學(xué)地預(yù)測超聲波。
[0014]將回想到，相對于該部件和外部環(huán)境之間的界面平面限定了在該部件中發(fā)射的波，所述界面平面用作用于標(biāo)識橫向和縱向波的極化的參考。這些波在垂直于界面平面的矢狀平面中被極化，橫向波通過縱向波通過該界面的傳輸而生成。
[0015]已知金屬樣本的彈性性能影響縱向和橫向波的傳輸以及影響它們的速度，這進(jìn)而能夠使用其知識計算彈性性能。小的機械變形把縱向波的傳播速度'和橫向波的傳播速度Vt與楊氏模量E和泊松比V聯(lián)系起來。
[0016]關(guān)系式如下:
[0017]E=P Vt2 (3Vl2-4Vt2) / (VL2-VT2)
[0018]V = 0.5 (Vl2-2Vt2) / (Vl2-Vt2)
[0019]因而，在已經(jīng)計算出傳播速度\和Vt的情況下，可以得到使得能夠計算楊氏模量和泊松比的參數(shù)，并且基于此，得到該材料的其它特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]在參考附圖閱讀隨后的對單純作為圖示性且非限制性示例給出的本發(fā)明實施例的詳細(xì)解釋性描述時，將能更好地理解本發(fā)明，并且其其它目的、細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點將變得更加清晰地顯而易見。
[0021]在這些附圖中:
[0022]圖1是超聲換能器相對于要分析的球體的反射模式下的位置的圖解，以及該球體上的縱向超聲波的兩個相繼反射；
[0023]圖2示出了在圖1所示出的情況中的換能器產(chǎn)生的信號變化的示波器上的跡線以及界面回波和球體底部的反射；
[0024]圖3是未按比例繪制的示圖，其示出了發(fā)射換能器的兩個相繼位置，所述發(fā)射換能器用于產(chǎn)生朝著相對于球體上的發(fā)射器橫向地設(shè)置的接收換能器以45°傳播的橫波；
[0025]圖4示出了使用聚焦發(fā)射和接收換能器的組件的實施例；
[0026]圖5是在球體表面上反射的和由換能器發(fā)射的信號的跡線的圖解；
[0027]圖6是從發(fā)射換能器發(fā)射的至接收換能器的信號的跡線的圖解；
[0028]圖7示出了根據(jù)入射角度所計算的橫波速率的改變。
【具體實施方式】
[0029]為了圖示本發(fā)明，把本方法應(yīng)用于對不銹鋼球體的檢查。在這里所揭露的示例中，該球體具有下面特征:
[0030]直徑=19.050mm ;
[0031]質(zhì)量=28.1865g ；
[0032]密度P =7，789.2kg/m3
[0033]縱向波傳播速度的測量量
[0034]換能器2陷入到與球體I的耦合流體3中，所述耦合流體為水。諸如具有6英寸焦距的Panametrics (美國泛美)V322_610MHz換能器之類的換能器電氣連接至用于控制和接收信號的工作站(未示出)。它處于發(fā)射-接收模式并且沿著穿過球體中心的軸定向。
[0035]根據(jù)作為時間的函數(shù)產(chǎn)生的超聲波的振幅圖表，如圖2中所示，看出了所述波在換能器2和球體表面在一側(cè)上的界面之間的傳播時間tu以及換能器2和從該換能器看到的球體底部之間的傳播時間^。
[0036]圖2中圖表上所標(biāo)識出的傳播時間如下:
[0037]tL1 = 205.517 μ s
[0038]tL2 = 211.897 μ s
[0039]縱向波的傳播速度\因此是兩倍的球體直徑與行進(jìn)時間的比率:
[0040]Vl = 2X 直徑 / (tL1-tL2)，在該示例中，Vl 為 38.10χ10-3/6.380xl(T6 = 5，971.8m/S。
[0041 ] 橫向波的速度Vt的測量量
[0042]所使用的原理是通過依據(jù)Snell-Descartes定律的原理的模式轉(zhuǎn)換,橫向波在相對于縱向傳輸波的方向D1形成給定角度β的方向D2上的傳播速度VT。
[0043]確定產(chǎn)生形成 角度β的橫向波傳播的校正入射角Θ，以及在該球體中此橫向波的行進(jìn)時間t2。所選擇的角度為45°。
[0044]參考圖3描述該方法:在該圖中，傳感器和球未按比例繪制，該球相對于傳感器進(jìn)行擴大。對于測量量t2，分別測量:波通過耦合流體的傳輸時間tK，及然后在該部件和耦合流體這二者中的傳輸時間tm ;并且在有必要進(jìn)行校正的情況下，然后從時間乜減去時間tK。
[0045]發(fā)射換能器2設(shè)置在與球體的耦合流體中，像參考I3-1004-R，IOMHz I "0.25〃的換能器似的的接收換能器4橫向設(shè)置在球體與方向D2的交叉處。
[0046]橫向波的傳播速度因而是使超聲波的沖擊點分開的距離d2和在此方向D2上與球體的交叉的比率:d2 = Rx21/2。
[0047]依據(jù)第一步，取得該波的精確行進(jìn)時間tK的測量量，該以從傳感器的表面至球體法線為給定角度Θ的方向行進(jìn)。耦合流體確保了沒有回波重合。
[0048]通過把換能器置于發(fā)射-接收模式，確定了反射信號的最大幅度。此最大幅度指示出該信號在所關(guān)注的角度Θ垂直于球體。由于我們處于發(fā)射-接收模式，所以行進(jìn)時間是在示波器屏上所測得時間的一半。
[0049]于是把傳感器水平放置，采用這樣的方式以便把射束帶到球體頂部。根據(jù)球體的半徑R計算該位移Rxtg Θ。
[0050]在此第二步驟中，測量波至接收換能器4的行進(jìn)時間tm。
[0051]橫向波的速度是該波行進(jìn)的距離d2與行進(jìn)該距離所用的時間t2的比率。由于換能器已經(jīng)被水平移動所以該波行進(jìn)了更短的距離這樣的事實，所以必須調(diào)整行進(jìn)時間的測里里。
[0052]釆用術(shù)語時間tA路徑A的調(diào)整表達(dá)如下:
[0053]tA = Rx (1-cos Θ )/cos Θ xVwater
[0054]其中，Vwater是在水中的傳播速度。
[0055]由于所測的時間tm是與從換能器至球體表面的路徑相對應(yīng)的時間(tK_tA)之和，并且采用時間t2沿著弦d2的長度行進(jìn)，因此行進(jìn)時間t2表達(dá)如下:[0056]t2 = tm- (tE-tA)
[0057]橫向波速度是行進(jìn)的路徑d2 = R V 2與行進(jìn)此距離所用的時間的比率:VT = d2/
t2
[0058]對于19°的角度Θ，獲得下面各值(用數(shù)字示波器所測量的時間精確至Ins):
[0059]Vwater = 1486.5m/s
[0060]2xtE = 202.63 μ s (圖 5)
[0061]tm = 105.02 μ s (圖 6)
[0062]位移:Rxtgθ = 3.279mm
[0063]tA = R(l_cos Θ ) /cos Θ xVwater = 0.3692 μ s
[0064]d = V 2xR = 13.470mm
[0065]Vt = 3306.2m/s
[0066]角度Θ的值19°是估計值。為了獲取角度Θ的校正值，圍繞此估計值取得測量量。因而，針對在范圍17°和23°之間所包括的角度Θ的值，重復(fù)上面運算。
[0067]重復(fù)所計算的速度值
[0068]在17。Vt = 3323.7m/s
[0069]在18。 Vt = 3326.lm/s
[0070]在19。Vt = 3306.2m/s
[0071]在20° Vt = 3284.4m/s
[0072]在21。Vt = 3304.8m/s
[0073]在22。Vt = 3302.3m/s
[0074]在23。Vt = 3314.5m/s
[0075]在圖7中獲得且重新產(chǎn)生的曲線具有最小速度點；與該最小點相對應(yīng)的速度與相對于把這兩個換能器分開的距離的最短行進(jìn)路徑相關(guān)聯(lián)。
[0076]因而Vt = 3284.4m/s
[0077]針對聲波的傳輸速度所獲得的值使得能夠計算該部件的特性參數(shù)。
[0078]鋼球機械特性的計算
[0079]P = 7789.2kg/m3
[0080]Vl = 5971.8m/s
[0081]Vt = 3284.4m/s
[0082]E= P VT2 (3Vl2_4Vt2) / (Vl2-Vt2) =215.6GPa
[0083]V = 0.5 (Vl2-2Vt2) / (VL2-VT2) = 0.283
[0084]由氮化硅Si3N4制成的球的機械特性的計算
[0085]P = 3166.5kg/m3
[0086]Vl = II202m/s
[0087]Vt = 6041.8m/s
[0088]E= P VT2 (3Vl2-4Vt2) / (VL2-VT2) = 299.3GPa
[0089]V = 0.5 (Vl2-2Vt2) / (VL2-VT2) = 0.295
[0090]應(yīng)當(dāng)注意，為了使得能夠取得準(zhǔn)確的測量量，期望使用具有非常短焦距并且因此小曲面半徑的接收換能器4，其使得能夠把球定位在中心，因此其軸與該換能器的幾何軸完全符合，圖4中示出了此優(yōu)選配置。
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定具有彎曲表面的部件的彈性性能的方法，包括朝著所述部件表面上的沖擊點發(fā)射超聲波射束以便在所述部件內(nèi)生成波，其特征在于，已知所述部件在所述沖擊點處在第一方向D1上的厚度Cl1和在形成相對于所述第一方向確定的角度β的第二方向D2上的厚度d2，取得所發(fā)射的縱向超聲波行進(jìn)距所述沖擊點的距離Cl1所用的時間的第一測量量h，所發(fā)射的橫向超聲波行進(jìn)距所述沖擊點的距離d2所用的時間的第二測量量t2，基于縱向速度\ = Vt1和橫向速度Vt = d2/t2確定材料的楊氏模量和/或泊松比。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，超聲波的射束被發(fā)射通過耦合流體，諸如水。
3.依據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述部件的材料是各向同性的。
4.依據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其中，所述材料是金屬或者陶瓷。
5.依據(jù)權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，由于所述部件是球形的，所以屯對應(yīng)于直徑而d2對應(yīng)于形成所述角度β的弦的長度。
6.依據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其中，所述角度β是45度。
7.依據(jù)權(quán)利要求5或者權(quán)利要求6所述的方法，其中，對于測量量t2，取得以下各個測量量:波通過所述耦合流體的傳輸時間tK，然后在所述部件和所述耦合流體這二者中的傳輸時間tm，并且在有必要進(jìn)行校正的情況下，然后從時間tm減去時間tK。
【文檔編號】G01N29/07GK103988072SQ201280061471
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月19日
【發(fā)明者】吉恩-伊夫斯·弗朗西斯·羅杰·查特利爾 申請人:斯奈克瑪