一种随温度变化的弹性常数测量方法与流程

本发明涉及超声检测领域，具体来说涉及一种随温度变化的弹性常数测量方法。

背景技术：

弹性常数作为材料力学性能重要的组成部分，是表征材料弹性性能的重要物理参数。目前，材料弹性常数的测量方法主要有静态法和动态法两种。前者主要通过拉伸的方式获得材料的静态力学性能参数，存在测量周期长、资源浪费、扰动大等问题。后者又分为共振法和超声法，其中共振法依据材料的振动特性进行测量，存在试样加工困难、适用范围窄、依赖人工经验等；超声法根据传播特性进行测量，具有简单方便、周期短、成本低、适用材料范围广已经在常温条件下的材料弹性常数测量中得到了广泛研究和应用。

本发明进一步将超声法用于高温条件下的弹性常数测量，其独特性在于：通过超声回波的声时特性测量，分别获取超声纵波和横波传播速度与温度的关系式，由介质温度-超声传播速度-材料弹性常数三者之间的关联关系确定材料随温度变化的弹性常数。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种随温度变化的弹性常数测量方法，采用超声回波法，获取被测试件内超声波传播速度与温度的相关关系式，由介质温度-超声传播速度-材料弹性常数三者之间的关系，可无损、快速地测量不同温度条件下金属、复合材料材料等效弹性模量、泊松比、剪切模量等弹性常数。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种随温度变化的弹性常数测量方法，包括以下步骤：

步骤一：加工一个被测试件，被测试件沿着被测方向的厚度大于一个超声波波长；

步骤二：给被测试件进行加温至预定温度，由超声波脉冲回波法，分别获得被测试件内超声波纵波和横波的传播时间tl和ts；

步骤三：由高温热膨胀效应，根据微变形测量仪测量结果修正被测试件沿着被测方向的厚度变化；

步骤四：通过计算获得被测试件内超声波纵波和横波的传播速度，表达式为：vl＝2(l+△l)/tl和vs＝2(l+△l)/ts；

其中：vl为纵波声速；vs为横波声速；l为试件被测方向的厚度；

步骤五：根据声弹性理论，

弹性模量的表达式为：

泊松比的表达式为：

剪切模量的表达式为：

其中：e为材料的弹性模量；υ为泊松比；g为剪切模量。

步骤六：将步骤四中的vl和vs代入到步骤五中的各个表达式中，计算出被测试件随温度变化的弹性模量、泊松比和剪切模量等材料弹性常数。

在上述技术方案中，所述步骤二中温度的加热由室温加热到预定温度。

在上述技术方案中，加热过程中以间隔20℃为一个温度条件，且在加热过程中被测试件处于均匀温度场。

在上述技术方案中，所述步骤三中的沿着被测方向的厚度变化由表达式△l＝α△t修正，其中△l为试件被测方向厚度的变化量，α为材料的热膨胀系数，△t为被测试件内温度的变化量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明根据超声在介质中传播特性随温度变化的特性，采用热声理论和声弹性理论相结合，可快速、简便、准确地测量材料高温条件下的温弹性常数；相比现有的材料高温弹性常数测量，本发明摒除了复杂的力学加载测量装置，增加了声学测量设备；这一方面简化了测量装置，操作相对简便，并可有效降低了测量周期；另一方面，由于声学设备可以非接触式测量，提高了传感器耐高温性能和温度效应的抗干扰能力，可有效提升测温范围和测温精度；基于电磁或激光超声进行非接触测量时，材料高温弹性常数测量几乎不受传感器耐温性能的影响，具有测量范围大的优点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1随温度变化的超声纵波/横波速度；

图2随温度变化的材料弹性模量。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

根据本发明的技术方案和步骤进行具体案例的实施，如下：

某防热材料长方体试件长×宽×高＝5cm×5cm×10cm，沿高度方向底面加热，其余表面皆为绝热面。超声探头置于上端面，采用垂直入射方式激发脉冲超声波，基于测量底面回波传播时间的变化。每20℃间隔测量一个温度条件，并重复4次，并取其平均值作为该温度条件下超声在介质中的传播时间。

由vl＝2(l+△l)/tl，获得超声纵波和横波速度分别如图1所示，可公式表达为：

vl＝6111-0.6480×t

vl＝2911-0.631×t

将上述两式带入弹性模量表达式，即可得到如图2所示的随温度变化的材料弹性模量

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种材料高温弹性常数的快速测量方法：通过超声回波的声时特性，分别获取被测试件内超声波纵和横波传播速度与温度的关系式，由介质温度‑超声传播速度‑材料弹性常数三者之间的关联关系，可无损、快速地测量材料高温条件下的弹性常数，具有简单方便、周期短、成本低、适用范围广等优点。

技术研发人员：魏东;石友安;李伟斌;杨肖峰;刘深深;代光月;杜雁霞;桂业伟
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：2017.12.05
技术公布日：2018.03.02