激光超声检测表面硬度分析

　　利用激光在固体中激发超声的想法是R MWhite于1963年提出的,最近10多年以来,人们对激光超声的机理、特点和应用进行了大量的研究1.由于激光超声有其特有的优点,使它在超声无损检测,材料的物性测量和校准测量中得到了广泛的应用.由于现代材料科学和材料工业的发展,要求在材料的生产过程中对于其物理、力学性能进行测量和评价,以便及早地发现问题,及早进行修正,避免后面的加工工序造成明显的经济损失.在此基础上,本文阐述了利用激光超声检测材料表硬度的原理,方法,并对其实验结果进行了回归分析.

　　1 激光超声系统

　　1.1 机理分析

　　当高能量的激光脉冲照射金属材料时,由于金属表层的热能吸收使它的温度突然上升,并产生热膨胀从而激发超声脉冲.如果激光脉冲的I0低于试样的融熔阈值时,将由热弹激发机理而同时激发出纵波、切变波和表面波脉冲.本文只讨论表面波.产生表面波的方法有多种,如可采用指状组合型器件、楔形探头等.由于激光脉冲既可产生全向声束,又可产生单向声束,因此,它无疑是一种非常理想的产生表面波的方法.将Q型开关式Nd.YAG激光器所产生的激光脉冲照射一轴表面并聚焦于一直线,则产生传播方向与该直线垂直的表面波.如果入射激光光束功率足够小,就不会损伤被测表面.

　　如图1所示,超声接收系统由激光器2和干涉仪构成.在整个检测时间内,激光器2将激光辐射到材料表面,所激发的高频超声在其表面产生折射,于是在声脉冲产生的同一表面,形成反向散射光(多谱勒效应)的调制,其后,在由干涉仪对光调制信号进行解调,并以电信号形式显示在示波器屏幕上.依靠这些信号,便可进行各种无损检测[1].

　　1.2 优点

　　(1)激光超声最重要的特性是能以非接触方式对物体进行无损检测,能探测那些处在高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境内的物体.

　　(2)激光光束能利用光学方法进行扫描,可实现连续快速的自动检测.

　　(3)由于由激光束激发的激波总是垂直被测表面的,从而不必考虑激光的入射角问题.这样对那些表面粗糙、高度弯曲、几何形状复杂的物体,都能用激光超声进行检测[2].

　　2 表面硬化与检测

　　各类轴类零件在扭转、弯曲等交变载荷下工作,并受摩擦和冲击时,其表面要比心部承受更高的应力1因此,要求零件表面具有高的强度、硬度和耐磨性.工业上采用感应加热、激光加热等表面淬火工艺或渗碳、渗氮等化学热处理工艺.在这些工艺过程中,控制一些参量,如碳的数量和浓度、热处理时间、温度,从而能控制表面硬度和深度.硬化层的特性通常由它的硬度和深度来表征.在所有硬化方法中,硬度总是与微结构的变化联系在一起的.材料的导磁性、娇顽磁性和磁滞损失等各种磁参数都间接地与硬度有关.已经发展了交变的(涡流)和非交变的磁场技术用来指示硬度,但发现在确定硬化表面层的深度方面用处最大.另一种方法是通过弹性模量来表征,通过相应的波速测量来确定动态模量只是一种辅助的初步方法.对于表面波来说,可以通过改变波长的方法来改变它的贯穿深度,从而为测取作为深度函数的表面硬度(通过对已知硬度材料进行校准的方法)提供良好的前景.