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博士学位论文 近表面弹性性质连续变化材料中激光超声波的研究 摘要 为了提高金属材料的机械性能，工业上常对金属材料进行各种表面处理，比如： 冲击硬化、热处理等。这些表面处理会使金属材料近表面层的弹性性质发生变化， 因而通过对该弹性性质的研究能够用来检测表面处理的效果。本文分别从理论计算 和实验上对近表面非均匀弹性性质金属材料中的激光超声波的激发和传播进行了 研究，为材料近表面层弹性性质的反演提供了依据。 考虑到材料近表面层弹性性质变化的特征，建立了一种激光在基底上的多层材 料中激发超声波的理论模型。基于热弹激发超声的经典理论，利用有限元方法模拟 了脉冲激光作用于材料上表面激发出的超声波及其传播过程，研究了近表面离散层 数对超声波产生和传播的影响。通过热分析得到了材料受激光点源照射后的温度场 分布；通过热一结构耦合分析得到了近表面弹性性质连续变化材料中超声波的时域 波形。利用有限元方法计算了近表面层“变硬 和“变软 、不同近表面层厚度及 不同的弹性常数变化的情况下材料中传播的超声波的时域波形。 利用二维快速傅立叶变换的时频分析方法，对有限元计算得到的时域信号进行 了分离，得到了各个模式超声波的相速度色散曲线。进而分析了近表面层厚度的变 化及不同的弹性常数分布对超声波模式和速度的影响。 为了克服利用有限元法计算的过程中由于分层导致的伪超声波的出现，提出了 一种利用正交多项式展开的解析方法对材料中的超声场进行计算。用一个适当阶数 的多项式来表示表面层的弹性性质沿厚度方向的空间分布，这能够很好的反映其表 面性质到未受影响下层性质的连续分布。超声场表示成正交多项式的线性组合，结 合边界条件通过求解波动方程能够直接得到超声波的速度色散曲线。这种方法对半 无限厚板中的r a y l e i g h 波和有限厚薄板中的l a m b 波的传播特性进行了研究，并对 各种不同分布的材料中超声波的相速度色散特征进行了解释。 建立了利用p v d f 传感器检测激光超声的实验系统，得到了不同激光冲击硬化 金属中激励的声表面波时域波形，进而用相位谱法对该时域波形进行时频分析。利 用这套实验装置对不同冲击硬化样品进行实验探测的结果表明：激光冲击作用时光 斑直径越大及冲击次数越多，其效果越好，冲击后近表面材料的弹性性质变化越大， 声表面波相速度色散越大。并对样品中声表面波的速度色散原因进行了解释。 本文的研究成果将为激光超声用于近表面弹性性质非均匀材料的无损检测提 中文摘要博士学位论文 供理论和实验依据。 关键词：激光超声，近表面非均匀弹性性质，有限元，正交多项式，p v d f 传感器， 相速度，色散 a b s t r a c t s u r f a c et r e a t m e n t ss u c ha ss h o tp e e n i n g ，s u r f a c eh e a tt r e a t m e n ta r eu s u a l l yu s e dt o i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e t a lm a t e r i a l si ni n d u s t r y t h en e a r - s u r f a c ee l a s t i c p r o p e r t i e so fs o l i d so f t e nd i f f e rf r o mt h o s eo fu n d e r l y i n gb u l km a t e r i a l sa f t e rs u f f e r i n g s u r f a c et r e a t m e n t s s ot h en e a r - s u r f a c ee l a s t i cc a ns e r v ea sc r i t e r i at oe v a l u a t i n gt h e e f l e e to fs u r f a c et r e a t m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c o u s t i cw a v e sp r o p a g a t i n gi nm e t a l sw i t h i n _ h o m o g e n e o u sn e a r - s u r f a c ee l a s t i cp r o p e r t i e s h a v eb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y ，w h i c hc a np r o v i d et h eb a s i sf o rt h ee x t r a c to f t h en e a r - s u r f a c ee l a s t i c p r o p e r t i e sb yl a s e r - i n d u c e da c o u s t i cw a v e s b a s e do nt h et h e o r yo ft h e r m o e l a s t i c a l l yg e n e r a t e du l t r a s o u n d ，l a s e r - i n d u c e da c o u s t i c w a v e sp r o p a g a t i n gi nm e t a l sw i t hi n h o m o g e n e o u sn e a r - s u r f a c ee l a s t i cp r o p e r t i e sh a v e b e e ns t u d i e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a c c o r d i n gt o t h e r m a la n a l y s i s ，t h e t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dh a sb e e np r e c i s e l yc a l c u l a t e d ；a n dt h e n ，l a s e r - i n d u c e da c o u s t i c w a v e si nm e t a l sw i t hc o n t i n u o u sc h a n g e so fn e a r - s u r f a c ee l a s t i cp r o p e r t i e sh a v eb e e n o b t a i n e db yf e m t h ea c o u s t i cw a v ep r o p a g a t i o no nt h em a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n t n e a r - s u r f a c el a y e rd e p t ha n de l a s t i cc o n s t a n t sh a v e b e e nc a l c u l a t e d t h et w o d i m e n s i o n a lf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( 2 d - f f t ) m e t h o dh a sb e e nu s e dt o a n a l y z et h eu l t r a s o n i cs i g n a l sw h e r ed i f f e r e n tw a v em o d e so v e r l a i di nt h et i m ed o m a i n n ed i f f e r e n tw a v em o d e sh a v eb e e nd i s t i n g u i s h e da n dt h ep h a s ev e l o c i t i e so ft h e s e m o d e sh a v eb e e no b t a i n e d t h ee f f e c t so fs p a t i a lv a r i a t i o no ft h em a t e r i a le l a s t i c p r o p e r t i e sa n dn e a r - s u r f a c el a y e rt h i c k n e s s o nt h ea c o u s t i cw a v em o d e sa n dv e l o c i t yh a v e a l s ob e e nd i s c u s s e d t oa v o i dt h ep r e s e n to fp s e u d o w a v ec a u s e db yt h ed i s c r e t i z a t i o no fn e a r - s u r f a c e l a y e r , a l lo r t h o g o n a lp o l y n o m i a le x p a n s i o nm e t h o dh a s b e e nd e v e l o p e dt os t u d yt h e a c o u s t i cw a v e sp r o p a g a t i n gi nm e t a l sw i t hc o n t i n u o u sc h a n g e so fn e a r - s u r f a c ee l a s t i c p r o p e r t i e s t h ep r o p o s e d e x t e n s i o nh a st a k e ni n t oa c c o u n tt h ei n h o m o g e n e i t yo f n e a r - s u r f a c ee l a s t i cp r o p e r t i e sw i t h i nt h et h i c k n e s so fp l a t eb ye x p r e s s i n gs p a t i a l l y v a r y i n gp r o p e r t i e sb yp o l y n o m i a l so fa na p p r o p r i a t eo r d e r t h ea c o u s t i cf i e l d sh a v eb e e n m 英文摘要 博士学位论文 e x p r e s s e db yl i n e a rc o m b i n a t i o n so fo r t h o n o r m a lf u n c t i o n sa n dt h ev e l o c i t yd i s p e r s i o no f a c o u s t i cw a v e sc a nb ed i r e c t l yo b t a i n e db ys o l v i n ge i g e n v a l u ep r o b l e m t h ea c o u s t i c w a v e st r a v e l i n gt h r o u g hf i n i t e - t h i c ka n ds e m i i n f i n i t et h i c kp l a t e sh a v eb e e ns t u d i e d a ne x p e r i m e n ts e t u pb a s e do np o l y v i n y l i n d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) t r a n s d u c e rh a s b e e nb u i l tt od e t e c tt h el a s e rs u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ( s a w s ) i n l a s e r - p e e n e da l u m i n u m a l l o y s t h ep h a s ev e l o c i t i e so fs u r f a c ea c o u s t i cw a v e sh a v eb e e no b t a i n e db yt h ep h a s e s p e c t r u mm e t h o d t h ee f f e c to fd i f f e r e n tl a s e r - p e e n e dc o n d i t i o no nt h es a wv e l o c i t y d i s p e r s i o nh a sb e e nd i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tl a r g e rs p o td i a m e t e r a n dm o r er e p e a t e di m p a c t sc a nc a u s eb e t t e re f f e c ta n db r i n gm o r es i g n i f i c a n tc h a n g eo f n e a r - s u r f a c ee l a s t i cp r o p e r t i e s f u t h e rm o r e ，t h ec a u s e so fd i s p e r s i o nh a v eb e e nf u r t h e r d i s c u s s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sc a no f f e r 也et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a if o u n d a t i o nf o rt h e n o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no ft h em e t a l sw i t hn e a r - s u r f a c e i n h o m o g e n o u se l a s t i c p r o p e r t i e sb y1 a s e r - i n d u c e da c o u s t i cw a v e s k e yw o r d ：l a s e ra c o u s t i cw a v e ，n e a r - s u r f a c ei n h o m o g e n e o u se l a s t i cp r o p e r t i e s ，f e m ， o r t h o g o n a lp o l y n o m i a lm e t h o d ，p v d ft r a n s d u c e r , p h a s ev e l o c i t y , d i s p e r s i o n i v 声明尸i 凋 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：五望是 砂8 年月6e l 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 彳：j 企 训譬年占月6 日 博士学位论文 近表面弹性性质连续变化材料中激光超声波的研究 1 绪论 1 1 研究背景 钢铁和铝合金等材料在工业上有广泛的应用，由于实际需要，往往要对金属材料 进行表面改性处理来提高材料的一些机械性能，例如：热处理、冲击硬化、表面氧 化、抛光以及表面覆盖保护膜等。然而这些处理都会导致材料的表面层的弹性性质 ( 杨氏模量、密度、泊松比等) 发生变化，使得材料的弹性性质不再是均匀的。弹 性性质发生变化的表面层常被称为影响层或近表面层。这种近表面层发生变化的材 料即不同于以往常见的涂层一基底双层材料，也不同于多层材料，近表面层的材料 的杨氏模量、密度和泊松比等是连续变化过渡到未受影响的下层材料的。近表面材 料的性质( 弹性常数、厚度等) 能够作为检测残余应力、监测热处理过程、检测冲 击效果和选择表面覆盖膜的依据。因此，如何对材料的近表面层的材料性质进行无 损评估就成为需要解决的问题。 声表面波可以用来检测材料的表面性能，因为材料在近表面层发生变化或存在 残余应力的情况下，在其中传播的弹性波将会受到影响而发生变化。通过对超声信 号的速度色散特征、散射和衰减的研究，能够对近表面层材料性质的变化进行评估。 在对材料性质进行反演的过程中常常用到超声信号的速度色散特征。然而，在很多 实际情况下，表面层材料性质的变化引起的声速相对变化非常小，因此，对测量精 度要求很高，检测难度很大。而激光超声是最近发展起来的无损检测技术，其显著 优点是非接触，高的空间和时间分辨率，容易实现高精度测量，特别是在弯曲表面 上更是优于传统超声换能器。并且激光在材料中能一次激发多种波形：如在半无限 大材料表面传播的声表面波、在材料内部传播的体波、在薄板中传播的l a m b 波、 在两固体材料界面上传播的s t o n e l y 波等。激光激发属于宽带激发，这样可以一次 1 1 绪论博士学位论文 激发，通过检测不同点的超声波信号就可以得到速度随频率变化的曲线，而无须像 传统的换能器激发，要多次更换能器。由于激光超声所具有的优点，激光超声应用 技术在上实际6 0 年代到8 0 年代期间得到了长足的发展。至今为止已广泛地应用于 物理、化学、微电子学、表面科学、材料科学及生物医学等多个领域n , 2 1 。 1 2 研究概述 1 2 1 激光超声检测的发展概述 超声检测是一种先进的无损检测技术。超声波可以穿透电磁波、光波等无法穿 透的物体，同时又能在两种物质( 声阻抗不同的物质) 交界面上反射，由于物体内 部的不均匀性，使得在其中传播的超声波携带了媒质内部的弹性性能和结构特征等 相关的信息，从而可以通过超声波的速度、衰减及色散等参量来评价媒质的一些基 本物理参数和结构特征。超声检测以其检测灵敏度高、速度快、成本低等特点在各 方面得到了非常广泛的应用，在国内外已经成功的应用于船舶、冶金、机械、石油、 化工、食品、电子、航天、建筑、农林、水产及医疗等领域。 在传统的超声激发和接收系统中，广泛的使用接触式压电换能器【3 】、电磁声换 能器【4 1 、空气换能器【5 】等作为激发源及接收装置。这些技术在实际应用时会随着工 作环境的改变而受到很大的限制。如接触式换能器在生成和拾取信号超声位移信号 时一般需要耦合剂，对某些被测材料会产生污染，对材料形状的复杂性也有一定的 限制，因而对于要求非接触检测的情况或对敏感的材料如薄膜等就不能采用了；电 磁声换能器不仅要求被测材料具有良好的导电性，而且还必须放置在材料表面很近 的区域；空气耦合换能器由于空气固体阻抗不匹配而导致能量的转换效率很低。为 此人们开始寻找能够以非接触方式激发超声的激发源，其中最典型的代表有 s w l i u 6 】等采用小体积钢珠的自由下落冲击作为超声场的激发源，以及日本熊本大 学的k m o i l 等【7 】提出的采用气枪产生冲击波来作用于样品表面产生弹性振动等，然 而这些方法的声源分布特性往往不容易控制，可重复性差。因此，需要寻找一种新 的激发技术。 激光超声技术是在各项技术发展的推动下逐渐发展起来的，它作为一种新兴的 可实现远程激发与接收超声的技术，是目前国际上声学检测技术中研究的热点。 最早是w h i t e ( 8 】于1 9 6 3 年提出了用脉冲激光激发声波，利用脉冲激光辐照材料表 面，在材料表面激发出宽频带的声表面波并用激光来探测声表面波。接着s t e g m a n 等 防1 0 】观察到强激光在固体中产生的爆炸波( 称l s d 波) 和大气中产生的点火或燃烧波 2 博士学位论文近表面弹性性质连续变化材料中激光超声波的研究 ( 称l s c 波) 。实际上这两者均是激波，由介质破裂引起的，都会随时间和距离增加 而衰变为声波。自此以后激光激发应力脉冲( 声脉冲) 的研究就不断的发展起来，在三 种媒质中的激发研究均有很大进展。在1 9 6 2 、1 9 6 3 年，w h i t e 演示了固体靶由于吸收 激光、微波、电子束等辐射脉冲而产生弹性波的实验，也提出了由瞬态表面热化而产 生弹性波的一维理论。不久又演示了用红宝石激光器激发，用梳状换能器接收声表面 波【l l 】的实验追溯起来，这就是激光超声技术的开始。b o u r k o f f 等t 1 2 】采用f = 6 n s ，e 0 = 1 0 2 1 j 的染料激光器来激发超声，是使用低能量激光激发超声的开始。 与激光超声技术应用【1 3 , 1 4 相平行的研究是激光超声激发机制、模式和方法等。 1 9 7 9 年l e d b e r e r 1 5 】等最先检测到一次激发同时产生的纵，横波和声表面波，他利用 n d ：g l a s s 激光器作为激发源，利用柱面镜在样品的前表面聚焦成线源，利用石英传感 器进行接收，得到在金属铝合金样品中激发出的纵波和横波以及r a y l e i g h 波的剪切分 量和纵向分量，实验装置图见图1 2 1 ，实验结果见图1 2 2 。只是激光的能量e = 0 3 1 j ， 检测时样品表面有损。值得提出的是1 9 8 0 ，1 9 8 2 年s c r u b y 1 6 】等人对激光在金属中产生 超声波形做了定量的测量，并用面内正交力偶模型解释了融蚀条件下的激发现象，为 激光超声的应用技术打下了基础。1 9 8 4 年r o s e r 7 】运用表面点源表象，求得在热弹条件 下，聚焦激光束在金属表面激发超声波的解析表达式，与实验结果除了在纵波到达处 实验上出现的微小前驱小波( p r e c u r s o r ) 有差别外，可以定量地符合。可以说这时，已 奠定了热弹条件下激发弹性波的实验和理论基础。从6 0 年代开始至8 0 年代中期，脉冲 激光超声快速进展【1 8 - 2 3 】，自此以后，激光超声向更深入更实用的方向发展，例如： 对对心接收( e p i c e n t e r ) 波形中的前驱小波( p r e c u r s o r ) l 拘成因和条件有了进一步的认识 1 2 4 5 1 。s c h l e i c h e r t 等最先提出体源概念，理论上计算出该波的存在。还有一些在他们 之前或之后计及热扩散性效应，光对材料的穿透性，有热波伴随，声波在埋着的源部 份到达上表面产生模式转换反射效应，表面有等效垂直力存在和样品( 金属) 表面貌似 无损，实际上己进入有可逆相变状态而导致等等均可归入体源形成之列。至于什么因 素为主则与材料和激光的特性有关。不管如何，这小波实质上是纵波，它对材料无损 评估十分有用。在半导体中，脉冲激光激发超声，除热效应( 包括热弹和融蚀效应) 外，还有载流子效应( 对非压电半导体) 【2 6 刀】和载流子效应加瞬态反压电效应( 对压电半 导体) 口8 。3 0 】，瞬态反压电效应只有在照射光量子的能量大于和等于e g ( 半导体能隙) 时占 优势。由带间吸收产生电子体积( 即应变) 效应激发s a w 波的效率比热弹效率高。激发 的波形极性与热弹的波形相反( 对s i ) 或相同( 对6 e ) 。取决于畸变势的常数的符号对s i 为正，对g e 贝, u 为负。近表面带间光吸收瞬态反压电效应在体c d s 表面激发表面波和浅 表体波( b g 波) 或在两个材料联结处激出切变体波( s h 波) 在压电负载和弹性负载条件 下的激发效率都有所增高。对g a a s ，当激光脉冲的f 2 5 p s 时，电子效应的激发效率 比热弹的约大1 0 倍，而反压电效应激发效率比电子效应的又约大1 0 倍。超短脉冲激光 博学位论文 超声技术 3 1 , 3 2 矬展迅速已实现了对几十至几百r 曲的薄膜，以1 10 n m 的空问分辨率的 微结构和参量检测。现在已激发出上限达4 4 0 g h z 创3 高频大带宽声。 21 利用撤光激拄、利用压电传感器探删弹性波的宴验装置翻 ( a )( b ) 图l2 2 示波器接l | 5 到的波形图 ( a ) 体横波( t ) 和r 圳e i g h 渡的剪切分量( r ) ( b ) 体纵波( l ) 和r a ) 】e l g l l 波的纵向分量( r ) 脉冲檄光在熟弹机制下激发超声不仅对样品表面无损伤而且激光在材料内部产 生热应力的惯性非常小，导致激光超声具有很宽的频带；同时脉冲激光作为一种理想 的超声激发源不仅可以实现非接触激发，而且可以检查形状复杂的试件哪- “】。并能同 时在样品中激发出纵波、横波、表面波及l a m b 波等多种模式的超声波 3 5 , 3 s l 。而在无 损检测中应用最多的还是表面波和l a m b 被。与波长相比，厚度较大的板中激发出的 卢表面波，由于其特性对于表面层材料比较敏感，常用于检测材料的表面层的性能。 而当板状固体材料厚度较薄时，声波传播时在薄板的上下表面发生反射，形成了l a m b 博士学位论文近表面弹性性质连续变化材料中激光超声波的研究 波。超声l a m b 波由于其传输距离远、信号强等特点，在材料的无损评估和检测中也 有着广泛的应用，如测定板状材料的厚度、弹性模量和检测板状材料中的缺陷等。 d e w h u r s t 3 7 】在用激光激发的l a m b 波测量薄金属片的厚度，对厚度为3 0 朋的金属薄 板测量精度达到了2 ；s p i c e r 3 s 】的等得到了激光热弹激发l a m b 波的理论波形和实 验波形，并得到了各项同性板状材料的弹性常数和厚度；n a k a n o 【3 9 】等从激光l a m b 波的反对称模态中提取了其特征频率；b o b b i n t 4 0 】等用激光热弹激发的l a m b 波测定了 厚度为1 彬和2 5 a n 的金属薄膜的弹性模量：j o h n s o n e 4 l 】等研究了铜板纸中的l a m b 波的特性；h a y a s h i l 4 2 】等对激光l a m b 波的多模成份进行了研究；v a l l e l 4 3 】等利用激光 产生的l a m b 波检测了材料中的缺陷位置；z h a n g 删等利用激光激发的l a m b 波测定 不同等级复印纸不同方向的弹性系数分布。将激光超声技术用于高温条件下，更充分 发挥其优点。激光超声作为一种测厚仪，可以用于钢铁工业中热轧无缝钢管的壁厚检 测，热轧钢板的厚度检测；可用于陶瓷在高温烧结过程中的密度及收缩量的检测；德 国k e c k 等人【4 5 j 利用准分子激光器作为激发源，利用n d ：y a g 作为激光接收，对热 轧钢管作壁厚的在线检测，可测厚度范围在1 5 2 5 m m ；美国e g & g 公司的b r i e n 等 人【4 6 j ( 1 9 9 2 ) $ i j 用激光超声对核反应堆中的石墨特性进行分析：德国m p a u l 等人【4 刀 ( 1 9 9 3 ) 利用激光超声实现了对铝、陶瓷和钢在高温时的材料特性测量。激光超声检测 技术也可用于化学汽相沉积、物理汽相沉积、等离子体溅射等高温镀膜工艺过程中膜 ，层的实时检测【4 8 1 ；由于激光激发和接收均不需要耦合剂，而且激光的扫描速度比机 械式快得多，因而利用激光超声系统很容易实现快速超声扫描成像。如英国的j b h o y e s 、q s h a n 等1 4 9 j 利用波长为1 0 6 , w n 的q 开光n d ：y a g 激光器在样品表面激发 超声，用共焦法布里珀罗干涉仪接收超声信号，对铝板中的人工缺陷进行检测：j p m o n c h a l i n 等【5 0 】把激光f p 系统安装在飞机维修仓库中对飞机上各种部件进行定位检 测和成像，一次扫描面积为6 7 4 m m 3 9 0 r a m 。美国p e r c e p t r o n 公司设计了一种激光超 声系统，利用超声波快速扫描检测汽车上刚喷上的湿油漆，能够容易确定油漆层厚度 是否正确，可迅速发现并纠正误差。利用激光脉冲在水中激发声脉冲，可用于江、湖、 河、海的水下目标及海洋地层结构探测或水下通信，也是当今水声学的研究课题之一。 近年来，激光超声产生机理和技术的研究有更大的发展，可用于生物、医学等应用领 域。特别是扩展对于固体材料热学性质的定征，以及对具有生物活性的化学和生物的 光化学反应动力学和热力学的研究，显示出激光超声具有其他技术难以替代的优越性 【5 l 】。利用皮秒( 1 0 - 1 2 j ) 或飞秒( 1 0 1 5 j ) 量级的超短激光脉冲在凝聚态物质中激发1 0 1 1 尼 以上频段的特高频声子。即在固体中激发接近固体的晶格振动频率的特超声，可以直 接研究固体中热声子、电子及其有关的量子力学意义上的效应。在液体中激发超声， 可以研究液体分子受激振荡及超快弛豫过程等。 1 绪论博士学位论文 1 2 2 非均匀材料中超声波传播问题的研究概述 随着工业的发展均匀材料已经无法满足工业上的要求，金属材料逐渐呈现出多样 性，出现了各种非均匀材料。包括：多层材料，基底一涂层材料，功能梯度材料及 近表面非均匀材料。有必要对这些材料的弹性性质进行检测。由于超声技术的发展， 超声成为检测材料性质的一种常用手段。 在各种结构的非均匀材料中，由于材料中激发的声表面波的高频部分的传播主要 受到上层材料性质的影响，而低频部分的声表面波则主要受到基底性质的影响。因此 声表面波可以作为表征材料性质的理想手段。材料的力学和弹性性质可以通过色散曲 线进行分析和提取，能够提取的参数则依赖于涂层的厚度与超声脉冲的最小波长的比 值 5 2 , 5 3 】，当比值小于l 时，比较理论色散曲线与实验色散曲线，应用线性最小二乘法 能够拟合得到一个材料参数；当比值大于1 时，产生非线性的色散关系，能够通过非 线性曲线拟合得到两个或三个材料参数，如弹性模量、密度。因此，对材料中的超声 波的传播特性尤其是波的速度色散特性的研究至关重要。 m u r r a y 等【5 4 】建立了半无限固体上的各向同性薄膜的激光超声表面波的理论模 型，利用时域上的l a p l a c e 变换和空间域上的h a n k l e 变换分析了薄膜一基底系统中时 域表面位移波形，激光被视为表面力源，理论预言为实验所验证，给出了t i 砧系统 中出现正常色散的激光声表面波和z r n s t e e l 系统中出现反常色散的激光声表面波。 s h e n 等【5 5 】分别用光穿透模型和热扩散模型对薄膜一基片两层系统的激光热弹激发超 声的过程进行了研究，得到了薄膜和基片中的温度场和位移场分布的解析解，并对薄 膜材料的光穿透参数、热扩散参数及基片和薄膜特性阻抗比对超声波的影响进行了讨 论。c o u l e t t e 等【5 6 】分别从理论和实验上研究了两层板对心处的瞬态位移，并讨论了不 同的覆盖层厚度对产生的对心超声波形的影响。x u 等1 57 】利用有限元法对激光在金属 涂层一基底系统中激发超声的过程进行了数值模拟，在计算的过程中考虑了材料参数 随温度的变化，并讨论了不同的涂层一基底系统和不同的涂层厚度对其中传播的激光 超声波的影响。w a n g t 5 8 j 等利用有限元法对激光在透明涂层不透明基底系统的材料中 激发的超声波进, 1 2 t 数值计算，分析了网格的大小和时间步长对计算的影响，并讨论 了透明涂层的厚度对声表面波色散的影响。h e l 5 9 1 等利用有限元方法对双层管状材料 在脉冲激光作用下的二维温升情况进行了分析。z h a o 【6 0 】等对圆柱型涂层基底系统中 的激光热弹激发的超声波进行了研究。c h e n g t 6 1 】分析了弱界面固体附层中的类 r a y l e i g h 波，讨论了典型符合结构具有刚性联接的界面、滑移联接的界面和弱界面时 的类r a y l e i g h 波的色散曲线，并对涂层结构界面进行了无损检测。p h e s s l 6 2 6 3 】测量了 厚度在微米量级的硅膜和碳膜的密度和弹性常数。d s c h n e i d e r “ 等测量了金刚石膜弹 6 博士学位论文 近表面弹性性质连续变化材料中激光超声波的研究 性模量、密度和膜的厚度，在频带宽度恒定时，随着薄膜厚度的增加，弹性模量和密 度能够同时测量。并且随着声表面波的频带宽度的增加，能够对更多的参数进行测量。 c m h e m a l l d e z 【6 5 】等研究了二层纳米颗粒薄膜基底系统，激光激发出二个最低阶的导 波模态，通过表面波得到薄膜的力学性质和驻留应力。徐晓东和张淑仪m j 等用激光声 表面波及改进的光差分检测技术研究沉积在基片表面的薄膜样品的特性，得到薄膜材 料的弹性模量、密度和厚度等物理参量。l a k e s t a n i 6 7 j 等研究了n i c o c r a l y s t e e l 材料 中的声表面波的速度色散谱，并利用n a v i e r s 方程结合边界条件和初值条件从理论上 计算了该系统中的r a y l e i g h 波的速度色散曲线，将实验和理论结果利用最小二乘拟合， 对涂层的厚度进行了反演。l a v r e n t y e v 6 8 】等利用超声的垂直入射和倾斜入射来确定涂 层的厚度、密度、弹性模量及纵波和横波的衰减。用来反演的输入数据是在涂层一基 底系统内部多次反射的超声波干涉信号的反射波的频谱。 a c h e n g t 6 圳等基于t h o m p s o n 传递矩阵法( t h o m p s o nt r a n s f e rm a t r i xa p p r o a c h ) ，应 用h a n k l e 及l a p l a c e 积分变换计算了层状材料中的应力和位移，建立了各向同性层状 材料中激光超声的数值模型。该模型讨论了层状材料密度、厚度及弹性模量的微小变 化对声表面波模态的影响，为设计和优化实验参数提供理论依据，以此来提高实验检 测的灵敏度。在此基础上，a e c h e n g 7 0 】等研究了各向异性层状材料中的激光声表面 波。s h e n 7 l 】等研究了三层系统中的激光声表面波，计算的过程中考虑到材料参数随温 度的变化，结果表明在热弹机制下，依赖于温度的热一物理参数对高频超声波影响更 大，对于三层系统，掠面纵波对表面层的厚度比较敏感，而声表面波则对中间层的厚 度更加敏感。c a j 【7 2 1 等利用传递矩阵的方法分析了多层有源声涂层中超声场的特征， 获得了反射和传播系数，并且将入射声压和反射声压从两个压电传感层分离开来； a l s h i t s 7 3 】等将各种非均匀材料进行离散，视为多层材料系统，利用传递矩阵法研究了 各种结构的多层材料中传播的弹性波。r a y 矩阵反射法被s u p 4 j 等用来研究多层材料 中的弹性波。y a n g 。7 5 】等利用实验得到了复合板中的l a m b 波的色散曲线，结合小波分 析和神经网络法对多层复合板的弹性常数进行了反演。s c h n e i d e r 7 6 等利用激光激发超 声波，利用传感器进行接收，得到了基底上的多层覆盖涂层系统中的激光超声波信号， 并对接收到的信号进行时频分析得到了其中传播的超声波的速度色散曲线。 而对在航空和现代工业中应用的越来越广泛的功能梯度材料( f g m ) 的研究， 最初的研究是将梯度材料沿材料的梯度方向离散成许多均匀的子层，在每层中认为材 料性质是均匀的，用有限元法分析线荷载或点荷载作用于其上时的弹性动力响应 7 7 , 7 8 】。随后，一些学者将功能梯度材料进行非均匀离散，这些层的材料的弹性性质在 沿厚度方向是变化的，对质量和刚度矩阵进行修正来满足层元的材料参数的连续变化 【7 9 1 。o h y o s h i s o , s 1 1 等用线性非均匀层元法得到梯度材料中波的反射和传播系数。 m u r r a y 8 2 】等利用激光超声技术得到了功能梯度材料的弹性性质分布，由于材料的弹性 7 i 绪论博士学位论文 性质沿整个样品厚度方向是连续分布的，所以对功能梯度材料沿厚度方向进行了离 散，讨论了离散层数对激光声表面波速度色散的影响，得出了声表面波的速度色散特 征不仅依赖于每层的弹性参数的均值变化，而且速度色散曲线的形状更依赖于弹性常 数分布的函数形式。从实验上对s i c 基底上的m u l l i t e 涂层材料进行检测，得到了典 型的双层系统中的激光声表面波波形图如图1 2 3 所示，并利用二维傅立叶变换对得 到的声表面波的信号进行分析从而得到声表面波的相速度色散曲线，通过与理论计算 的相速度色散进行最小二乘拟合，得到了涂层的弹性常数。k e h o e 8 3 】等利用激光激发 声表面波，利用m i c h e l s o n 干涉仪和传感器分别对声表面波进行探测，对具有不同梯 度成分组成的氧化铝陶瓷进行了检验，对光学接收方法和传感器接收所得到的声表面 波的速度进行了比较。 s 0o5 01 0 015 02 0 02 5 0 t i m e n s ) 图1 2 3 激发点与接收点距离不同时接收到的典型表面波波形图 1 2 3 近表面非均匀材料检测的研究概述 由于近表面非均匀材料结构的特殊性，它即不同于传统的多层材料和涂层一基 底材料，又不同于功能梯度材料，为了得到近表面弹性性质、残余应力等沿板厚的 分布及近表面层的厚度等信息，近些年来国内外有一些学者从理论和实验各个方面 进行了研究，其中主要用到的方法包括：表面布里渊散射法、声显微镜法、声表面 波法和x 射线衍射法。 8 o心暑ill_l毋茹毋一mv篮 博士学位论文 近表面弹性性质连续变化材料中激光超声波的研究 1 2 3 1 表面布里渊散射法 布里渊散射是布里渊于1 9 2 2 年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动， 但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇 曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能 量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和 磁振子等。在表面布里渊散射法中，采用低功率激光来探测表面分布，激光产生少量 的热，不会引起样品表面的振动。这样，样品的表面特性就能够通过发生喇曼频移的 散射光来确定。由于最近发展起来的多通道串联法布里一珀罗干涉仪技术使得布里渊 散射的观察更为容易，并且使布里渊散射法成为一种低噪声、高灵敏度的探测方法。 布里渊散射法的主要原理示意图如图1 2 4 所示，一束角频率为劬、波矢为毛的 激光束以于样品面法线方向成口角的方向入射到被高度抛光的样品表面。大部分的 光被反射和吸收。一般情况下，背向散射光围绕着波矢t 成一个小的锥形，并且可 以通过s a n d e r c o c k 类法布里珀罗干涉仪进行探测和分析。由布里渊散射实验可测 出散射峰的频移，线宽及强度。由频移可直接算出声速，这是和用超声技术测量声 速互补的方法，其特点是可测高频声学声子和高衰减的情况，试样比超声测量用的 小得多。由声速可以算出弹性常数，由声速的变化可以得到关于声速的各向异性， 弛豫过程和相变的信息。由线宽( 需用高分辨装置) 可以研究声衰减过程，这与 非简谐性和结构弛豫等有关。根据强度的测量可以研究声子和电子态的耦合等。 形以 i r 图1 2 4 传统的表面布里渊散射图 z h a n g 等【8 4 】利用这种方法给出了立方晶体v c o 7 5 表面的反斯托克斯分量的s b s 谱，由r a y l e i g h 波的速度得到了v c o 7 5 的弹性常数。对于基底上的半透明层【8 5 1 ，需 要用到层和基底材料的光弹常数和复折射率，s b s 谱能够反应了材料的表面特性。 s a t h i s h 8 6 等和m e n d i k t s 7 等用表面布里渊散射和声显微镜法分别测量了n i 的弹性常 数，并且比较了用两种方法对由机械抛光引起的表面损坏的检测的区别。s t o d d a r t 等【8 8 】讨论了s b s 实验方法的误差原因，实验发现，即使对这个误差进行修正，利用 s b s 测得的值仍与利用其它方法测得的值有一个小的差异。这个差异来自于材料近 表面的毁坏和表面粗糙，这两个原因都会使得声表面波的速度降低【8 9 1 。 9 1 绪论 博士学位论文 表面布里渊散射法是一种非接触的方法，常用于测量高温度和高压力控制的较 小的样品。透明固体中体波的布里渊散射能够被用来研究弹性常数的高压特性。 c r o w h u r s t 等【9 0 】观察了4 8 g p a 压力下玻璃基底上的金薄膜中的表面布里渊散射，测 得了作为温度函数的声表面波速度色散。s t o d d a r t 等【9 l 】得到了s i 的弹性常数，当温 度从室温到8 0 0 0 c 时。z h a n g t 9 2 j 等得到了超耐热合金c m s x - 4 在6 0 0 k 时的c 4 4 常数， 和4 0 0 k