金属板材织构系数的超声波测量

摘要

金属板材是材料成形加工中常用的材料,化工设备多由金属板材制成。在细观尺度下,金属多晶体板材可视为大量微小晶粒的集合体。晶粒弹性、塑性性质的各向异性导致金属多晶体材料的宏观弹、塑性性质不仅取决于单晶的材料性质,而且取决于多晶体中的晶粒取向分布。晶粒取向分布可用取向分布函数(ODF)来表示,其系数称为织构系数,织构系数的超声波测量可用于快速检测材料在加工过程中的各向异性性质,指导金属材料的加工生产。
　　 多晶体弹性本构的各向异性直接造成多晶体内超声波速的各向异性,如果能够精确测量各向异性多晶体内不同方向上的超声波速,则可以求得反映多晶体各向异性程度的织构系数。本文研究了当超声波沿板材厚度方向传播时超声波速与织构系数的关系,给出了c420和c400与超声波波速的表达式,该表达式的好处在于可消除密度及板材厚度对测量织构系数的影响,而且可使用一个探头同时测得三种波速,使得测量结果更为精确；同时,本文还研究了当超声波在立方晶粒正交金属板材平面内沿任意方向入射时超声波波速及其偏振方向与织构系数的关系,采用线性化的办法使得复杂的表达式变得简洁。借助这些化简后的表达式,给出了织构系数c420和c400的另一种表达式,同时给出了织构系数c440与超声波波速的关系,并通过算例验证了推导过程中的线性化对测量结果造成的影响可忽略不计。另外,本文通过多元函数求极值的办法给出了织构系数的极值。
　　 本文利用超声波设备RETIC-SNAP-5000借助电磁传感器(EMAT)测量了2mm铝板的织构系数c400和c420,该试验结果与复合材料压电探头(PZT)测量得到的铝板织构系数结果一致,该试验验证了电磁传感器测量金属板材织构系数的可靠性。而且在织构系数的测量过程中,电磁传感器可同时测量出沿厚度方向传播的沿三个不同方向偏振的波(即偏振方向为厚度方向的纵波,偏振方向为压制方向的横波和偏振方向为横向的横波)传播时间,相比复合材料压电探头而言,电磁传感器测量的精确度更高。
　　 本文还采用回波法测量了特定方向超声波在10mm钢板试件中的传播时间,进而得到钢板的织构系数c400,c420和c400,并与简单拉伸试验测量所得到的织构系数两两比值进行了比较,二者结果吻合很好。该试验说明超声波测量金属板材织构系数的方法是可行的,且具有无损,快捷的特点。