Zr基块体非晶合金产品质量声学共振检测方法研究

摘要

块体非晶合金亦称金属玻璃，是指三维尺寸在“毫米”以上的非晶合金。多年研究表明块体非晶合金具有优异的综合力学性能，有望在3C消费品、汽车元器件、航空航天等领域得到广泛应用。块体非晶合金在高压铸造过程中会产生材料结晶、结构缺陷等质量问题，造成产品脆性断裂或破坏产品完整性。目前质量检测方法有X射线衍射、透射电子显微镜观察、差示扫描量热、金相显微镜观察、超声检测、目视检测等方法，但如此多种的方法一般只适合实验室抽检，难以满足批量非晶合金产品在线检测的要求。本文参阅非晶合金与无损检测文献，结合实际情况，研究一种针对块体非晶合金产品质量检测的声学共振检测方法。主要完成工作如下：
　　1.以Zr基块体非晶合金为研究对象，根据产品体积小、重量轻、数量大的特点及在线无损的检测要求，制定了本课题的技术路线。结合企业实际情况，本文建立针对样件与产品的声学共振理论模型，并提出非晶合金检测的理论依据。
　　2.本文对Zr基块体非晶合金样件进行材料性能试验与力学性能测试。通过对样件进行X射线衍射(XRD)分析与金相显微镜(OM)组织观察，可得到不同厚度样件的结晶度。利用万能试验机对样件做三点弯曲强度实验，可得到不同厚度样件的强度值。建立结晶度与单位厚度载荷的拟合曲线，根据企业提供强度标准求得临界结晶度。利用纳米压痕仪测得结晶区域的弹性模量，作为模态分析时的材料属性参数。
　　3.根据振动理论，搭建样件悬臂梁检测实验台。本文分别采用声学共振检测法与接触式振动测量法对不同结晶度与不同厚度的样件进行测试。利用DEWESoft7软件与LabVIEW软件对采集的声音信号做FFT变换，以获取样件的频谱曲线，得出样件的共振频率。利用ANSYS workbench软件对样件做一端约束的无阻尼模态分析与有阻尼模态分析，算出两种方式的理论计算值。比较理论值与实验值，得到考虑阻尼的理论值与声学共振测量值较吻合，验证了悬臂梁声学共振法的可行性。
　　4.搭建W产品声学共振实验台。利用声学共振法测量不同结晶度与结构缺陷的W产品在自由状态下的频谱曲线与固有频率，并借助ANSYS workbench软件对两种缺陷做自由模态分析，比较理论值与实验值。同时，建立W产品结晶度与固有频率之间的关系，制定合格W产品的固有频率临界值，作为企业产品质量判定标准。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 国内外声学共振检测方法研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究的技术路线

1．4 课题的来源与研究内容

1．4．1 课题的来源

1．4．2 课题的研究内容

1．5 本章小结

第二章 声学共振检测理论基础

2．1 引言

2．2 单自由度系统的振动

2．2．1 自由振动

2．2．2 频晌函数

2．3 悬臂梁弯曲振动理论

2．4 非晶合金检测理论依据

2．4．1 振动模态的影响因素

2．4．2 声学理论基础

2．5 有限元分析法

2．6 本章小结

第三章 样件综合性能实验研究

3．1 实验材料的制备

3．1．1 合金成分的配制

3．1．2 非晶合金样件的制备

3．2 金相组织分析(OM)

3．2．1 金相照片拍摄

3．2．2 Zr57Cu15．4Ni12．6Al10Nb5合金的金相组织分析

3．3 X射线衍射分析(XRD)

3．3．1 实验设备与方法

3．3．2 XRD法测定结晶度的基本原理

3．3．3 XRD实验结果分析

3．4 三点弯曲强度性能实验

3．4．1 实验仪器与方法

3．4．2 实验结果分析

3．5 纳米压痕法测弹性模量与硬度

3．5．1 实验方法与原理

3．5．2 实验过程与结果

3．6 本章小结

第四章 样件声学共振理论与检测研究

4．1 样件无阻尼计算模态分析

4．1．1 同厚度样件无阻尼的计算模态分析

4．1．2 不同厚度样件无阻尼的计算模态分析

4．2 样件实验模态测试分析

4．2．1 非接触式悬臂梁声学共振测量法

4．2．2 接触式悬臂梁振动测量法

4．3 理论与实验结果对比

4．3．1 同厚度样件的结果对比

4．3．2 不同厚度样件的结果对比

4．4 阻尼实验测试

4．4．1 测试仪器的性能参数

4．4．2 实验过程

4．4．3 实验结果

4．5 样件有阻尼计算模态分析

4．6 本章小结

第五章 典型产品声学共振检测研究

5．1 手表壳W的缺陷类型

5．2 手表壳W的计算模态分析

5．2．1 不同结晶度的计算模态分析

5．2．2 不同缺口尺寸的计算模态分析

5．3 手表壳W的试验模态分析

5．3．1 不同结晶度的试验模态分析

5．3．2 不同缺口尺寸的试验模态分析

5．4 理论与实验对比

5．5 W产品综合质量判定

5．5．1 回归分析与最小二乘拟合法

5．5．2 W产品质量检测判定

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢