[发明专利]基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法

说明书

本发明公开了一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，对待测材料进行预处理；然后利用脉冲激光激发出超声波，利用裂纹实现对声表面波的反射和模式转换，从而仅仅通过采集声表面波便可计算出待测材料的声表面波波速和横波波速，结合待测材料的弹性常数与波速之间的关系，对待测材料的弹性常数进行测定。本发明避免了对纵波信号和横波信号的采集，采集设备简单，采用脉冲激光激发声表面波，效率高，实现了非接触性激发，对激光能量进行调节，可以根据需要进行热弹激发或烧蚀激发。

技术领域

本发明属于材料弹性常数测量技术领域，具体涉及一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法。

背景技术

目前利用激光超声测量弹性常数有两种思路，一种是利用激光激发出多种模态超声，包括声表面波、纵波和横波，通过对其速度的测量进行弹性常数的反演计算，这种方法需要对所有模态超声进行测量，增加了实验平台的复杂性，不便于推广应用。第二种是声弹性法，即利用测量声速变化来反映物体内部应力分布，通常认为声速与应力间的关系是线性的，声弹性常数即为用来表征这种线性关系的常数，一般而言这种方式需要利用材料试验机测量声速与不同应力之间的关系，实验设备昂贵且复杂，除此之外还有纳米压痕技术、电磁超声，传统超声等。

现有对材料弹性常数的检测需要专业仪器，价格昂贵，而激光超声以高分辨率、非接触性等优点得到广泛应用，可以用来测量材料弹性常数，但往往需要测量多种模态声波信号或者采用材料试验机，测量声速与应力之间的关系，以往的激光超声测量弹性常数主要分为两种：一种是通过脉冲激光在材料表面和内部激发出多种模态超声，包括纵波、横波、表面波，随后采用不同的接收方式对上述所有模态超声进行采集处理，则必然增加了实验设备，实验过程繁琐复杂，第二种通过材料试验机、载荷模块等其他方式，对材料进行逐级加载载荷，以改变材料所受应力，同时测量声波波速随着应力变化关系，以此判断出材料弹性常数。这两种方式均需要进行复杂的实验，实验过程和数据处理过程较为繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，利用激光超声检测的优点，同时在保证精度的前提下减少实验平台的搭建和数据处理过程，利用裂纹尖端效应，实现对声表面波的反射和模式转换，避免了对横波信号纵波信号的检测，仅仅测量表面波便可实现对材料弹性常数的测定，极大地减少了实验设备，简化了数据处理过程，又能保证精度。

本发明采用以下技术方案：

基于裂纹尖端效应结合激光超声测量材料弹性常数的方法，对待测材料进行预处理；然后利用脉冲激光激发出超声波，通过对反射波和模式转换波的测量，计算出待测材料的声表面波波速和横波波速，结合待测材料的弹性常数与波速之间的关系，对待测材料的弹性常数进行测定。

具体的，预处理具体为：

在待测材料表面加工一条裂纹，裂纹的宽度为0.1mm，深度为0.5～0.9mm，用于对待测材料声表面波的反射和模式转换。

进一步的，声表面波的一部分在经过裂纹时发生模式转换，将声表面波转换为横波，以横波模式在待测材料内部传播，在到达待测材料底部时发生回弹，再次经过裂纹转换成声表面波，并被探头接收到，其传播时间对应横波的传播时间，从而通过声表面波计算出横波波速。

更进一步的，横波波速c_s计算如下：

其中，E为弹性模量，μ为泊松比，ρ为材料密度。

进一步的，声表面波遇到裂纹时，除发生模式转换外的剩余部分发生反射，利用表面波探头对反射波进行采集，并计算其波速。

更进一步的，表面波波速c_r计算如下：