使用超声测量弹性性能的方法
【专利摘要】一种使用超声测量弹性性能的方法，本发明涉及一种用于确定具有弯曲表面的部件的弹性性能的方法，包括朝着所述部件表面上的冲击点发射超声波射束以便在所述部件内生成波，其特征在于，已知所述部件在所述冲击点处在第一方向D1上的厚度d和在形成相对于所述第一方向确定的角度α的第二方向上的厚度d2，取得所发射的纵向超声波行进距所述冲击点的距离d1所用的时间的第一测量量t1，所发射的横向超声波行进距所述冲击点的距离d2所用的时间的第二测量量t2，基于纵向速度VL＝d1/t1和横向速度VT＝d2/t2确定材料的杨氏模量和/或泊松比。
【专利说明】使用超声测量弹性性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非破坏性测试方法且更特别涉及通过超声非破坏性地确定各向同性金属材料的弹性性能的方法。
【背景技术】
[0002]存在对可用来确定同质和各向同性材料制成的部件的弹性性能(诸如杨氏模量或泊松比)的方法的永久需要。存在对与具有弯曲外表面的部件有关的方法的特定需要。已经知道对于平面部件而言使用超声波来确定杨氏模量，但是对于复杂部件来说，在外表面弯曲的情况下，难于正确地放置发射器和接收器以便获得可靠的结果。
[0003]用于计算复杂部件的弹性纵向模量一杨氏模量一的已知方式包括生产哑铃形测试件，该哑铃形测试件放置在拉力测试机的钳口之间。然而，并不是总能够生产出哑铃形测试件或者对于一些材料来说可能是非常昂贵的。另外，测试件的形状与所使用部件的形状常常非常不同。取决于制造部件的方法，测量它们的弹性模量可能是不相干的。
[0004]本 申请人:设定目标是改善检验复杂部件的非破坏性方法，特别是改善检验具有弯曲形状的复杂部件的非破坏性方法，并且提出使用超声波来确定弹性性能，诸如弹性的纵向模量和泊松比。
[0005]US3, 416，265描述了使用纵向和横向波行进通过已知厚度的材料的测量量确定具有弯曲表面且已知厚度的部件的弹性性能，然而它没有教导其应用于在不同方向上具有两个厚度的部件。
【发明内容】
[0006]依据本发明，一种用于确定具有弯曲表面的部件的弹性性能的方法，包括朝着所述部件表面上的冲击点发射超声波射束以便在所述部件内生成波的传输，其特征在于，已知所述部件在所述冲击点处在垂直于该点切面的第一方向D1上的厚度Cl1和在形成相对于所述第一方向确定的角度α的第二方向D2上的厚度d2，
[0007]所发射的纵向波在所述部件内行进距所述冲击点距离Cl1所用的时间h的测量量;
[0008]所发射的纵向波在所述部件内行进距所述冲击点距离d2所用的时间t2的测量量;
[0009]取得上面测量量。
[0010]基于纵向速度\ = Cl1Zt1和横向速度Vt = d2/t2确定材料的杨氏模量和/或泊松比。
[0011]优选地,发射超声波的射束通过耦合流体,诸如水。
[0012]该方法有利地可应用于由各向同性材料制成的部件。
[0013]更特别地，该方法可应用于球形部件，Cl1对应于该球体的直径而d2对应于形成所述角度α的弦的长度。例如，该方法有利地可应用于金属球的检查，特别是由不锈钢制成的金属球的检查；对于由诸如Si3N4、SiC或者ZrO2制成的陶瓷材料的球(其用在轴承中)而言，它还具有特定的值。然而，该方法不限于球形部件并且可以应用于在模型、特别是计算机模型范围内的更复杂形状，可用于使得能够在部件内部数学地预测超声波。
[0014]将回想到，相对于该部件和外部环境之间的界面平面限定了在该部件中发射的波，所述界面平面用作用于标识横向和纵向波的极化的参考。这些波在垂直于界面平面的矢状平面中被极化，横向波通过纵向波通过该界面的传输而生成。
[0015]已知金属样本的弹性性能影响纵向和横向波的传输以及影响它们的速度，这进而能够使用其知识计算弹性性能。小的机械变形把纵向波的传播速度'和横向波的传播速度Vt与杨氏模量E和泊松比V联系起来。
[0016]关系式如下:
[0017]E=P Vt2 (3Vl2-4Vt2) / (VL2-VT2)
[0018]V = 0.5 (Vl2-2Vt2) / (Vl2-Vt2)
[0019]因而，在已经计算出传播速度\和Vt的情况下，可以得到使得能够计算杨氏模量和泊松比的参数，并且基于此，得到该材料的其它特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]在参考附图阅读随后的对单纯作为图示性且非限制性示例给出的本发明实施例的详细解释性描述时，将能更好地理解本发明，并且其其它目的、细节、特征和优点将变得更加清晰地显而易见。
[0021]在这些附图中:
[0022]图1是超声换能器相对于要分析的球体的反射模式下的位置的图解，以及该球体上的纵向超声波的两个相继反射；
[0023]图2示出了在图1所示出的情况中的换能器产生的信号变化的示波器上的迹线以及界面回波和球体底部的反射；
[0024]图3是未按比例绘制的示图，其示出了发射换能器的两个相继位置，所述发射换能器用于产生朝着相对于球体上的发射器横向地设置的接收换能器以45°传播的横波；
[0025]图4示出了使用聚焦发射和接收换能器的组件的实施例；
[0026]图5是在球体表面上反射的和由换能器发射的信号的迹线的图解；
[0027]图6是从发射换能器发射的至接收换能器的信号的迹线的图解；
[0028]图7示出了根据入射角度所计算的横波速率的改变。
【具体实施方式】
[0029]为了图示本发明，把本方法应用于对不锈钢球体的检查。在这里所揭露的示例中，该球体具有下面特征:
[0030]直径=19.050mm ;
[0031]质量=28.1865g ；
[0032]密度P =7，789.2kg/m3
[0033]纵向波传播速度的测量量
[0034]换能器2陷入到与球体I的耦合流体3中，所述耦合流体为水。诸如具有6英寸焦距的Panametrics (美国泛美)V322_610MHz换能器之类的换能器电气连接至用于控制和接收信号的工作站(未示出)。它处于发射-接收模式并且沿着穿过球体中心的轴定向。
[0035]根据作为时间的函数产生的超声波的振幅图表，如图2中所示，看出了所述波在换能器2和球体表面在一侧上的界面之间的传播时间tu以及换能器2和从该换能器看到的球体底部之间的传播时间^。
[0036]图2中图表上所标识出的传播时间如下:
[0037]tL1 = 205.517 μ s
[0038]tL2 = 211.897 μ s
[0039]纵向波的传播速度\因此是两倍的球体直径与行进时间的比率:
[0040]Vl = 2X 直径 / (tL1-tL2)，在该示例中，Vl 为 38.10χ10-3/6.380xl(T6 = 5，971.8m/S。
[0041 ] 横向波的速度Vt的测量量
[0042]所使用的原理是通过依据Snell-Descartes定律的原理的模式转换,横向波在相对于纵向传输波的方向D1形成给定角度β的方向D2上的传播速度VT。
[0043]确定产生形成 角度β的横向波传播的校正入射角Θ，以及在该球体中此横向波的行进时间t2。所选择的角度为45°。
[0044]参考图3描述该方法:在该图中，传感器和球未按比例绘制，该球相对于传感器进行扩大。对于测量量t2，分别测量:波通过耦合流体的传输时间tK，及然后在该部件和耦合流体这二者中的传输时间tm ;并且在有必要进行校正的情况下，然后从时间乜减去时间tK。
[0045]发射换能器2设置在与球体的耦合流体中，像参考I3-1004-R，IOMHz I "0.25〃的换能器似的的接收换能器4横向设置在球体与方向D2的交叉处。
[0046]横向波的传播速度因而是使超声波的冲击点分开的距离d2和在此方向D2上与球体的交叉的比率:d2 = Rx21/2。
[0047]依据第一步，取得该波的精确行进时间tK的测量量，该以从传感器的表面至球体法线为给定角度Θ的方向行进。耦合流体确保了没有回波重合。
[0048]通过把换能器置于发射-接收模式，确定了反射信号的最大幅度。此最大幅度指示出该信号在所关注的角度Θ垂直于球体。由于我们处于发射-接收模式，所以行进时间是在示波器屏上所测得时间的一半。
[0049]于是把传感器水平放置，采用这样的方式以便把射束带到球体顶部。根据球体的半径R计算该位移Rxtg Θ。
[0050]在此第二步骤中，测量波至接收换能器4的行进时间tm。
[0051]横向波的速度是该波行进的距离d2与行进该距离所用的时间t2的比率。由于换能器已经被水平移动所以该波行进了更短的距离这样的事实，所以必须调整行进时间的测里里。
[0052]釆用术语时间tA路径A的调整表达如下:
[0053]tA = Rx (1-cos Θ )/cos Θ xVwater
[0054]其中，Vwater是在水中的传播速度。
[0055]由于所测的时间tm是与从换能器至球体表面的路径相对应的时间(tK_tA)之和，并且采用时间t2沿着弦d2的长度行进，因此行进时间t2表达如下:[0056]t2 = tm- (tE-tA)
[0057]横向波速度是行进的路径d2 = R V 2与行进此距离所用的时间的比率:VT = d2/
t2
[0058]对于19°的角度Θ，获得下面各值(用数字示波器所测量的时间精确至Ins):
[0059]Vwater = 1486.5m/s
[0060]2xtE = 202.63 μ s (图 5)
[0061]tm = 105.02 μ s (图 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°是估计值。为了获取角度Θ的校正值，围绕此估计值取得测量量。因而，针对在范围17°和23°之间所包括的角度Θ的值，重复上面运算。
[0067]重复所计算的速度值
[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]在图7中获得且重新产生的曲线具有最小速度点；与该最小点相对应的速度与相对于把这两个换能器分开的距离的最短行进路径相关联。
[0076]因而Vt = 3284.4m/s
[0077]针对声波的传输速度所获得的值使得能够计算该部件的特性参数。
[0078]钢球机械特性的计算
[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制成的球的机械特性的计算
[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]应当注意，为了使得能够取得准确的测量量，期望使用具有非常短焦距并且因此小曲面半径的接收换能器4，其使得能够把球定位在中心，因此其轴与该换能器的几何轴完全符合，图4中示出了此优选配置。
【权利要求】
1.一种用于确定具有弯曲表面的部件的弹性性能的方法，包括朝着所述部件表面上的冲击点发射超声波射束以便在所述部件内生成波，其特征在于，已知所述部件在所述冲击点处在第一方向D1上的厚度Cl1和在形成相对于所述第一方向确定的角度β的第二方向D2上的厚度d2，取得所发射的纵向超声波行进距所述冲击点的距离Cl1所用的时间的第一测量量h，所发射的横向超声波行进距所述冲击点的距离d2所用的时间的第二测量量t2，基于纵向速度\ = Vt1和横向速度Vt = d2/t2确定材料的杨氏模量和/或泊松比。
2.依据权利要求1所述的方法，其中，超声波的射束被发射通过耦合流体，诸如水。
3.依据前面权利要求中任一项所述的方法，其中，所述部件的材料是各向同性的。
4.依据前面权利要求所述的方法，其中，所述材料是金属或者陶瓷。
5.依据权利要求中任一项所述的方法，其中，由于所述部件是球形的，所以屯对应于直径而d2对应于形成所述角度β的弦的长度。
6.依据前面权利要求所述的方法，其中，所述角度β是45度。
7.依据权利要求5或者权利要求6所述的方法，其中，对于测量量t2，取得以下各个测量量:波通过所述耦合流体的传输时间tK，然后在所述部件和所述耦合流体这二者中的传输时间tm，并且在有必要进行校正的情况下，然后从时间tm减去时间tK。
【文档编号】G01N29/07GK103988072SQ201280061471
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月19日
【发明者】吉恩-伊夫斯·弗朗西斯·罗杰·查特利尔 申请人:斯奈克玛