超声测厚仪在材料检测中的应用

　　1前言

　　无损检测技术是在不损伤被检材料、工件或设备的前提下,应用某些物理方法来测定材料的性能、状态、内部结构和组织不均匀性。超声检测是常用的无损检测技术之一,超声测厚是超声检测技术在测厚方面的应用。它是利用超声波脉冲回波技术在非破坏情况下,对工业上许多重要结构和部件进行精确测量,一般壁厚10mm以下的测量精度可达0.01mm[1]超声测厚所使用的仪器是超声测厚仪,它的结构框图如图1所示,它除了测厚以外还可测声速。

　　2测试原理

　　超声测厚仪的工作原理如下:它的脉冲发生器以一个窄电脉冲激励专用高阻尼压电换能器,此脉冲为始脉冲,一部分由始脉冲激励产生的超声信号在材料界面反射,这信号称为始波。其余部分透入材料,并从平行对面反射回来。这一返回信号称为背面回波。始波与背面回波之间的时间间隔代表了超声信号穿过被测件的声程时间。如测得声程时间则可由下式确定被测件厚度[1],测厚时声速是确定的。

　　式中:

　　d——被测件厚度

　　C——超声波在被测件中的传播速度(即声速)

　　t——声程时间

　　反之由公式(1)可知,如测得工件厚度和声程时间则可求出被测工件中的声速,声速是描述超声波在介质中传播特性的基本物理量,它的大小由传播介质决定,即与材料的弹性模量、密度、超声波波型和泊松比有关。金属材料的弹性模量尽管对组织结构不敏感,但由于它与原子间作用力和原子间距有关,而原子间距与晶体结构有关,所以它还是受到组织结构的影响。此外金属材料的密度从微观上来讲也与组织结构有关[2]。因为:

　　而晶胞的体积则与组织结构有关,所以声速与金属材料内部的组织结构有必然的联系,这样使用超声波测厚仪测出被测件中的声速变化,可判断被测件中内部组织结构的异常。以下是超声波测厚仪在材质检验中的具体应用。

　　3具体应用

　　3.1应力的测量

　　众所周知大多数金属在弹性极限以下遵守虎克定律(应力与应变成正比关系):

　　式中:

　　σ——应力

　　e——应变

　　E——正弹性模量

　　比例系数即正弹性模量E,它的大小取决于原子间作用力的大小,而原子间作用力随原子间距变化而变化(参阅图2)[3],因此弹性模量限随原子间距而变化。由于应力使原子间距发生变化,从而影响弹性模量。不过原子间距的变化非常小,这样弹性模量的变化也非常小,大约为0.1%,因此一般把相同材料的弹性模量看作常量。另外由下列超声波声速的计算公式可知,声速与弹性模量和介质密度有关[1]。