碳化硅陶瓷材料的聲學(xué)特性研究(編輯修改稿)
2025-07-25 16:29 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 或輕度應(yīng)變也會(huì)導(dǎo)致極大的機(jī)械應(yīng)力，迅速引起破壞，在外表面附近尤其如此，從而要求檢出的缺陷的實(shí)際尺寸要比金屬或復(fù)合材料小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。作為檢測(cè)對(duì)象的缺陷可分：，如表面缺陷的危害性最大，不僅影響到制品的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，而且影響到制品的外觀質(zhì)量。，如表面裂紋和表面缺邊、缺角等。、制品使用(提供使用)中或由環(huán)境產(chǎn)生的缺陷。這些缺陷中，裂紋類缺陷(內(nèi)部或表面裂紋)對(duì)材料機(jī)械性能影響最大，也是陶瓷材料中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷，內(nèi)部氣孔、夾層等也是陶瓷材料中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。目前，國內(nèi)外陶瓷材料的無損檢測(cè)的方法歸納起來，主要有:（RT）照相法的基礎(chǔ)及原理射線檢測(cè)是利用射線對(duì)各種物質(zhì)的穿透力來檢測(cè)物質(zhì)內(nèi)部缺陷的一種方法，它適用于探測(cè)體積型缺陷，如氣孔、夾渣等。射線檢測(cè)的特點(diǎn)是：(1)高的空間分辨率和密度分辨率(通常0．5％)；(2)高檢測(cè)范圍(1一：從空氣到金屬材料)；(3)成像的尺寸精度高，可實(shí)現(xiàn)直觀的三維圖像；(4)在有足夠的穿透能量下，可不受試件幾何結(jié)構(gòu)的限制等。局限性表現(xiàn)為：檢測(cè)效率低、檢測(cè)成本高、雙側(cè)透射成像(相對(duì)于反射式射線檢測(cè))，不適于平板薄件的檢測(cè)以及大型構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)?；谒奶攸c(diǎn)，其用途主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)方面：(1)非微觀缺陷的檢測(cè)(裂紋、夾雜、氣孔、分層等缺陷檢測(cè))；(2)密度分布的測(cè)量(材料均勻性、復(fù)合材料微氣孔含量的測(cè)量)；3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的精確測(cè)量；(4)裝配結(jié)構(gòu)和多余物檢測(cè)；(5)三維成像與CAD／CAM等制造技術(shù)結(jié)合而形成的所謂反饋工程。用紅外熱像儀檢測(cè)出物體表面的這種溫度差異，即可判斷被測(cè)試樣中是否存在缺陷以及缺陷存在的情況。按其對(duì)工件的加熱狀況、信息處理方式，紅外無損檢測(cè)可分為主動(dòng)式檢測(cè)和被動(dòng)式檢測(cè)兩類。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)靈敏度高，速度快；(2)檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)較簡單；(3)使用安全，信號(hào)處理速度高，可建立自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；(4)受工件表面光潔度影響??；(5)檢測(cè)用途廣泛。它的缺點(diǎn)是：受產(chǎn)品表面及背景輻射的影響；靈敏度受缺陷大小和深度的影響；不能非常精確地測(cè)定缺陷的大小、形狀和位置；溫度記錄曲線的解釋困難，并且需要有專業(yè)操作人員。超聲波檢測(cè)是通過測(cè)定反射波變化以達(dá)到檢測(cè)材料內(nèi)部或表面是否存在缺陷的目的。這種方法特別適用于揭示被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部的面積型缺陷，如裂紋、分層等。一般情況下難以檢測(cè)出一百微米以下的裂紋狀內(nèi)部缺陷。超聲波檢測(cè)有如下特點(diǎn)：（1）超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，在不同質(zhì)界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長時(shí)，則超聲波在缺陷上反射回來，探傷儀可將反射波顯示出來；如缺陷的尺寸甚至小于波長時(shí)，聲波將繞過缺陷而不能反射；（2）超聲波的方向性好，頻率越高，方向性越好，以很窄的波束向介質(zhì)中輻射，易于確定缺陷的位置.（3）超聲波的傳播能量大，穿透能力強(qiáng)，如頻率為1MHZ（1兆赫茲）的超生波所傳播的能量，相當(dāng)于振幅相同而頻率為1000HZ（赫茲）的聲波的100萬倍.介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波。實(shí)驗(yàn)原理： (21)式中 c波速s傳播的距離t傳播的時(shí)間 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：探傷儀 測(cè)厚儀 示波器等。測(cè)出厚度Dmm,時(shí)間t微秒，則速度為: (22)式中 v速度D試件厚度t傳播時(shí)間介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波。由于橫波探頭制作上的困難，以及頻率低、測(cè)量精度差等原因，一般不用直接產(chǎn)生橫波的方法測(cè)量橫波聲速。 通常橫波是用波型轉(zhuǎn)換的方法產(chǎn)生的，本實(shí)驗(yàn)用以下兩種方法： 第一種是根據(jù)直達(dá)波和延遲波的聲程與時(shí)間差的關(guān)系來測(cè)量聲波(相)速度與 。見圖21,縱波速度由直達(dá)波測(cè)量: (23)式中 L縱波聲程 T縱波聲時(shí)圖21 反射法測(cè)聲速 圖22 材料中的脈沖聲場(chǎng)（波陣面分布圖）橫波速度由延遲波確定，在圖22中,延遲聲程(為延遲周期)，幾何關(guān)系l/d=ctg,三角恒等式1/和反射定律得 = (24)由橫波SV的聲程，聲時(shí)也可求得= (25)第二種是用張海瀾等人的圓形厚度模換能器在固體介質(zhì)中輻射的直達(dá)波和邊緣波一文中提到用的波形計(jì)算橫波聲速[14]。當(dāng)介質(zhì)表面受到交變壓力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面的波，稱為表面波。首先計(jì)算出碳化硅陶瓷材料的第二臨界角：采用如圖23參數(shù)斜探頭，尺寸為13*13，入射角為31176。（22176。）。圖23 表面波測(cè)量所用探頭其次，我們需要測(cè)量出探頭的入射角，使用CSKⅠA試塊，找到最大的表面波波高時(shí)，測(cè)出其前沿長度。然后，再將探頭放置在陶瓷試塊上，測(cè)出其前邊緣到探頭的距離，加上探頭的前沿長度，并在儀器上找到最大的表面波波高的時(shí)間數(shù)據(jù)，記錄其數(shù)據(jù)再根據(jù)公式(21)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于厚度較小，上下底面互相平行，表面光潔的薄板工件或試塊?？捎弥碧筋^放在薄板表面，使聲波在上下表面來回反射，在示波屏上出現(xiàn)多次底波。由于介質(zhì)衰減和反射損失，使底波高度依次減少。其介質(zhì)衰減系數(shù)按下式計(jì)算： (dB/mm) (26)式中m、n底波的反射次數(shù)； 第m、n次底波高度； 反射損失，每次反射約為（）dB x薄板的厚度上式中未考慮擴(kuò)散衰減，因此現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用應(yīng)根據(jù)薄板厚度來確定波的次數(shù)，使聲波的傳播距離在波束未擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。 使用D=11mm陶瓷板進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)定在第一次底波與第二次底波之間。則根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)，得出:提出假設(shè)：縱波直探頭在發(fā)射波的時(shí)候，會(huì)在底面發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，縱波轉(zhuǎn)換成橫波，以橫波的形式傳播回來。再以橫波傳播出去，傳到底面再傳回來。波形如圖31示：橫波過去+橫波回來縱波過去+橫波再反射回來圖31 CSKⅢA試塊橫波聲速測(cè)量圖驗(yàn)證：用CSKⅢA試塊進(jìn)行驗(yàn)證，使用T=，D=12mm的探頭進(jìn)行測(cè)量。A．用掠入射的方法測(cè)量CSKⅢA試塊橫波聲速，根據(jù)直達(dá)波和延遲波的聲程與時(shí)間差的關(guān)系來測(cè)量聲波(相)速度與 。見圖32,縱波速度按公式(23)由直達(dá)波測(cè)量。掠入射產(chǎn)生的橫波圖32 CSKⅢA試塊掠入射測(cè)量橫波聲速結(jié)果如圖32示：根據(jù)公式得出：=B．用掠入射的方法測(cè)量D=13mm陶瓷試塊橫波聲速，結(jié)果如圖33示：掠入射產(chǎn)生的橫波圖33 陶瓷板掠入射測(cè)量橫波聲速=又由張海瀾等人的圓形厚度模換能器在固體介質(zhì)中輻射的直達(dá)波和邊緣波一文中提到用的波形計(jì)算橫波聲速。則用一次橫波與一次縱波的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：兩次縱波底波之間測(cè)聲速圖34 陶瓷板測(cè)縱波聲速先計(jì)算縱波聲速，數(shù)據(jù)如圖34所示：帶入數(shù)據(jù)，則橫波聲速為3100m/s驗(yàn)證可得此結(jié)論成立，可將其應(yīng)用于陶瓷材料的橫波聲速測(cè)量。=11mm陶瓷板進(jìn)行測(cè)量，使用T=5MHZ，D=12mm的探頭進(jìn)行測(cè)量，一次縱波一次橫波的數(shù)據(jù)，找到如圖35示的波形，記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算：
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