铬镍合金600的超声波波速和相速度频散曲线（一）

        铬镍合金600广泛应用于制造核电站蒸汽发生器(SG锅炉)管。采用超声波导波检测技术可以提高对SG管裂纹的检测能力，但目前尚处于研究阶段。进一步研究超声波声速和导波的频散特性可以提高SG管超声波检测的可靠性。此外，对SG管弹性常数的测定也非常重要。

        利用超声波速度可以测量材料的弹性常数及试样厚度，目前有多种方法用于测量超声波波速。在传统的脉冲回波法中，纵波和横波波速是由弹性波的传播距离和传播时间来确定的。对于固体板材，超声波声速和板厚可以同时从板的一侧测得。谐振声谱法(RUS)已应用于不同形状试样刚度的测量。薄板的弹性性能则可通过兰姆波频散曲线的反演方法获得。

        Young H. Kim等人用谐振声谱( RUS)法和反射泄露兰姆波(LLW )法对铬镍合金600板进行了超声波测试。RUS法测量结果表明，正在服役的板材表现出弹性各向异性。用RUS、超声波脉冲回波法和LLW的截止频率(cut-off frequency)分别测得了铬镍合金600板的纵波和横波声速。在假设正交对称的前提下，RUS法测得的厚度方向的声速与其他方法(脉冲回波法、截止频率法)得到的测量结果非常接近。通过改变入射角测量了板的反射泄漏兰姆波。获得的反射LLW频散曲线与理论计算结果有很好的一致性，个别部位不太一致的原因可能是由板的各向异性引起的。

        RUS可用于确定弹性刚度张量。事实上，对于具有高对称性的晶体结构，如各向同性的立方晶系以及正交晶系等，利用RUS能够确定九个张量。其中关键之一在于对称性的确定以及预先对弹性刚度的初始估测。这种初始估测应当接近从参考文献、经验以及其他测量方法获得的真值。计算得到的谐振频率以及传播模态应当和RUS法测得的结果相匹配，最终可通过比较和迭代使得弹性值收敛。

        当超声波以一定角度入射到浸在水中的板材时，如果入射波与板的一种兰姆波模态没有相位匹配，超声波反射时无畸变发生。反之，如果发生相位匹配，兰姆波将沿板材传播，并在板端被反射回来。这种被板端反射回的声波(本研究中叫反射泄露兰姆波)被探头接收。另外，探头还能接收到垂直入射于板表面后被反射回的较强声波。这部分波可视为板的谐振辐射，将其频率与兰姆波模态的截止频率比较，就可以确定板中的体波声速。相位匹配的条件满足斯涅尔定律。对于入射角为 时产生的兰姆波，斯涅尔定律可表示为

式中，和分别是入射波的声速与兰姆波的相速度。

        RUS法测量的试样尺寸为lmmx2mmx3mm,LLW法测量的试样尺寸为50mm x 80mm x lmm(厚度)。分别采用20MHz的纵波探头(液浸式)，以及5MHz横波探头(赛洛洛耦合方式)，利用常规的脉冲回波法测量铬镍合金板中的纵波和横波声速，测量结果分别为5830m/s和3130m/s。采用RUS法检测过程中，试样置于发射探头和接收探头之间，在试样的两对角上施加最小的力来夹持，以便确保试样处于自由振动状态。

        为了绘制相速度频散曲线，建立了LLW自动检测系统。试样可以转动以实现从不同角度入射。试样转动和移动的精度分别为0.02°和20μm。超声波探头采用中心频率分别为1MHz、2.25MHz和5MHz的三个宽频带探头，由超声波脉冲发射接收器分别发射和接收。在板的端部反射的LLW波由数字示波器接收并进行后续的数字化处理。探头位置与钢板的垂直距离为75mm，与钢板边缘的水平距离为30mm。

        图11-6是典型的铬镍合金600板的谐振声谱。在假设板是各向同性的前提下，得到的刚度张量的收敛值并不好，表明板在轧制过程中产生了各向异性。所以重新假设板是正交对称的，并对样品的纵波和横波声速进行了三维度测量。

图11-6  典型的铬镍合金600板谐振声谱