拉伸方向和塑性应变对轧制黄铜板超声波测量参数的影响（一）

        关于材料塑性变形的无损评价问题，目前有多种方法，如X射线衍射法、中子衍射法、巴克豪森效应法等。虽然这些方法可以提供很多信息，但是它们只能检测材料的表面和近表面层，而且需要大型设备。超声波具有穿透性好、检测方便等特点，当超声波在发生了塑性变形的材料中传播时，它会受到晶体结构、第二相和位错等材料微观组织的影响。通过考察超声波衰减、声速及波形等的变化，可以获得材料内部与塑性变形相关的信息。Schmidt 等人研究了在高纯单晶铜中频率范围在10~200MHz之间时位错对超声波衰减和声速的影响。Kobayashi等人测量了发生塑性变形的铝合金中超声波声速的变化。AI-lison等人研究了塑性变形对工业用钢的弹性性能的影响。Liming Shen等人研究了在拉伸方向、轧制方向和剪切波偏振方向的不同组合条件下，轧制黄铜板的塑性变形和超声波波形之间的联系，而且通过波形分析得到了一个参量，该参量随塑性应变发生单调变化。

        实验样品是厚度为4mm的Cu-40wt%Zn合金板，拉伸试样的几何尺寸如图11-22所示。为了研究试样的拉伸方向对超声波参数的影响，使测试段呈两边平行的试样(见图11-22a，以下简称a试样)的拉伸方向与轧制方向平行或垂直；为了研究沿着试样轴向的超声波参数和塑性应变的变化，使测试段呈曲率过渡的试样(见图11-22b，以下简称b试样)的拉伸方向与轧制方向平行。b试样的应力集中因子为1.1，该因子非常小，以致于在垂直于试样轴向上的应力分布差可以忽略，同时假设仅在平行于拉伸方向的法向应变沿着拉伸轴变化。在拉伸实验进行前，所有试样在600℃下退火4h，目的是降低试样中的残余应力，再将试样用240#砂纸打磨去除毛边和氧化皮。打磨时应注意不要在试样表面上形成厚的塑性变形区。

        横波探头发射的超声波检测频率为4MHz，采用油脂耦合，在探头晶片与试样间的接触压力为60kPa的情况下，测量由试样底面反射的第一、二次回波。对于a试样(见图11-19a)测点置于样品的中心，超声波测量时拉伸方向、轧制方向和剪切波偏振方向的不同组合见表11-3。对于b试样(见图11-19b)，在轴线上测量了九个点，相邻两点间隔10mm，测量时剪切波的偏振方向平行于轧制方向且平行于拉伸方向(PD//RD// TD)。对每个位置重复测量三次再取其平均值。

图11-19  拉伸试样示意图

a) 测试段呈两边平行的试样         b)测试段呈曲率过渡的试样

(标注十字线处为超声检测的位置)

根据线性系统理论，从试样底面反射回来的第一个回波被定义为系统输入f(t)，第二个回波被定义为系统输出g(t)。经过傅里叶变换后可以得到下面的关系式：

 式中，G()和F( )分别是f(t)和g(t)的傅里叶变换对；H()是系统的传递函数。然后可将上式变形为

式中，K()是反传递函数，被定义为频率为 时的衰减。使用第一、二次回波来计算反传递函数可以减少直接接触条件下试样表面状态对波形的影响。