蘭姆波表征形狀記憶合金相變試驗

王開圣，趙志敏

（南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院應(yīng)用物理系，南京 210016）

NiTi形狀記憶合金是工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛的新材料，也作為敏感元件和驅(qū)動器應(yīng)用在智能結(jié)構(gòu)中，其獨特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性與其熱彈性馬氏體相變緊密相關(guān)，工程和科研上常用示差掃描量熱儀（DSC）、電阻法及變溫X射線衍射（XRD）等方法測量NiTi合金相變，然而這些方法僅能檢測較小的樣品，很難對板、管、棒等大工件進(jìn)行無損檢測。一些研究表明，NiTi合金相變時，除了電阻發(fā)生變化外，還伴隨彈性模量變化、內(nèi)耗和聲發(fā)射等現(xiàn)象［1－3］，這使得聲學(xué)方法可用來檢測形狀記憶合金的相變。

超聲波檢測技術(shù)在材料檢測方面已有許多應(yīng)用，如聲速與材料的彈性模量、密度及晶體取向密切相關(guān)，超聲能量的衰減也與材料的許多參數(shù)有關(guān)，如晶粒度、位錯密度、空隙及晶體結(jié)構(gòu)等。也有研究者注意到了一些材料在發(fā)生相變時，隨著微觀組織結(jié)構(gòu)的變化，聲速及聲衰減出現(xiàn)了明顯改變［4－5］。

蘭姆波是在厚度與激勵聲波波長相當(dāng)?shù)穆暡▽?dǎo)中傳播的超聲波，材料的組織結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部缺陷對蘭姆波的傳播模式及頻散特性很敏感，蘭姆波檢測技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來，已被嘗試應(yīng)用于板、棒及管狀材料的無損檢測和微傳感技術(shù)領(lǐng)域［6－8］，成為目前超聲檢測領(lǐng)域熱門的研究方向之一。研究利用蘭姆波探測NiTi合金微觀組織結(jié)構(gòu)的變化情況，研究對合金薄板相變敏感的蘭姆波模式，探究合金相變時蘭姆波群速度的變化規(guī)律，測量合金薄板相變溫度。

1 試驗材料

試驗材料選用300mm×200mm×2mmNiTi合金板（原子比 Ni：50.2%，Ti：49.8%）。眾所周知，近等原子比NiTi合金升溫時，會發(fā)生馬氏體到奧氏體相變［9］。用常規(guī)DSC方法測量了升溫時試樣的相變溫度，從馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度As為37℃，轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Af為46℃。

2 NiTi形狀記憶合金板蘭姆波頻散曲線

蘭姆波頻散曲線是在速度－頻率空間上描述蘭姆波不同模態(tài)的傳播特性，它對蘭姆波技術(shù)的應(yīng)用具有重要參考和指導(dǎo)意義，頻散曲線是頻散方程數(shù)值解的圖像表示，板中的蘭姆波頻散方程可表示為：對稱模態(tài)

反對稱模態(tài)

研究用Matlab軟件編程，采用二分法求解頻散方程，并繪制出頻散曲線圖。由于NiTi合金的縱波和橫波速度隨溫度改變而變化，所以不同溫度時頻散曲線會有所不同，根據(jù)不同溫度的頻散曲線可以了解相變前后蘭姆波的變化行為。為繪制頻散曲線，對與薄板試樣材質(zhì)相同的NiTi合金棒材相變前后的縱波及橫波速度進(jìn)行了測量，用測得的數(shù)據(jù)代入頻散方程求解，然后分別制得相變前的5℃、相變開始點37℃及相變結(jié)束點46℃時的NiTi合金薄板的相速度和群速度頻散曲線，如圖1及圖2所示。圖中實線和虛線分別表示板中的對稱模式S和反對稱模式A，把相變前、相變開始及相變結(jié)束時的曲線繪制在同一張圖上以利于比較。對S模態(tài)，分別用黑色的細(xì)實線、藍(lán)色粗實線及加粗的紅色實線加以區(qū)別，對A模態(tài)，分別用黑色點線、藍(lán)色虛線及紅色點虛線繪制以示區(qū)別。從圖2可以看出，在頻厚積一定，即板厚和聲源頻率一定時，所對應(yīng)各模式蘭姆波的群速度在相變前后會發(fā)生變化，例如，頻厚積為5MHz·mm時，相變前，隨溫度升高，S3模態(tài)群速度減小，相變開始后，隨溫度升高，S3模態(tài)群速度由減小變?yōu)樵龃?，相變前的群速度變化幅度小，而相變開始后群速度變化幅度大；從圖2還可看出，相變前后高階S模式的蘭姆波群速度的改變量比較大，所以，在保證蘭姆波有足夠強(qiáng)度傳播一定距離以便于測量群速度的前提下，高階S模式的蘭姆波更適合表征NiTi合金相變。

試驗采用帶有機(jī)玻璃楔塊的可變角PZT探頭激發(fā)蘭姆波。根據(jù)Snell定理，選取一定的斜入射角，可以激勵相應(yīng)相速度的導(dǎo)波模態(tài)。試驗時選取S1及S3兩種模態(tài)，分別用中心頻率為1.25及2.5MHz兩種探頭激發(fā)，對2mm厚的板，頻厚積分別為2.5和5MHz·mm。從圖1可知相應(yīng)的S1及S3模態(tài)的相速度，由Snell定理計算激發(fā)時所要的入射角，從圖2可知S1及S3模態(tài)的群速度，結(jié)果一并列于表1中，表中數(shù)據(jù)由初始測量溫度5℃時的頻散曲線得到。

表1 選用蘭姆波模式及入射角

3 試驗方法和設(shè)備

將NiTi合金置于調(diào)溫箱中，以2～3℃／min速度從5℃升溫至80℃，測量各溫度時蘭姆波的群速度，通過群速度的變化表征合金的相變過程。

試驗采用CTS－23型超聲波探傷儀作信號激勵源，中心頻率為1.25及2.5MHz的可變角PZT探頭各2個，同頻率的探頭一組使用，采用一發(fā)一收的方式，其中發(fā)射探頭用環(huán)氧樹脂膠固定在薄板上使耦合穩(wěn)定。使用1.25MHz探頭時，將探頭2入射角調(diào)至53°，在板中激發(fā)S1模式蘭姆波，使用2.5MHz探頭時，將入射角調(diào)至29°，激發(fā)S3模式。使用TDS1002數(shù)字存儲示波器接收蘭姆波信號，并通過示波器RS232串口將數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)，利用LabVIEW軟件制成的虛擬平臺測量群速度，以提高檢測精度和速度。測量裝置示意圖如圖3所示。

圖3 蘭姆波檢測裝置示意圖

4 試驗結(jié)果及討論

試驗時將接收探頭分別置于相距100mm的兩處接收蘭姆波，用數(shù)字示波器測出兩次接收的蘭姆波傳播時間差計算群速度。對相變前的5℃，測得1.25及2.5MHz探頭激發(fā)的蘭姆波群速度分別為2020及3550m／s，與表1中列出的理論值接近，說明1.25MHz探頭激發(fā)了低階S1模式蘭姆波，2.5MHz探頭激發(fā)了高階S3模式蘭姆波，相變前后，兩種模式蘭姆波群速度隨溫度的變化規(guī)律見圖4。

圖4 不同模式蘭姆波群速度隨溫度變化規(guī)律

在合金溫度低于36℃時，即馬氏體向奧氏體開始轉(zhuǎn)變溫度之前，合金相結(jié)構(gòu)為單相馬氏體組織，從圖4可以看出，隨溫度升高群速度緩緩降低，但當(dāng)溫度超越36℃后，合金為馬氏體與奧氏體兩相共存狀態(tài)，曲線變陡，群速度出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，不降反升，而且上升速度較快，直至到達(dá)46℃，即相變結(jié)束溫度。超越該溫度后，合金為單相奧氏體組織，曲線變平，隨溫度增加，群速度變化幅度很小。上述現(xiàn)象說明蘭姆波信號能動態(tài)反映材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的變化，可用來表征合金的相變過程，并可根據(jù)群速度與溫度關(guān)系曲線上的轉(zhuǎn)折點測量合金的相變溫度。

比較S1模式與S3模式的蘭姆波，相變前后S3模式群速度的變化幅度大，說明高階對稱模式的蘭姆波對表征合金的相變更有利。

5 結(jié)論

通過理論和試驗研究得到如下結(jié)果：

（1）當(dāng)NiTi合金薄板受熱從馬氏體組織向奧氏體組織轉(zhuǎn)變時，板中蘭姆波群速度發(fā)生明顯改變，尤其在相變起始點和結(jié)束點，均會發(fā)生突變，這表明可以用蘭姆波方法表征NiTi形狀記憶合金薄板的相變，動態(tài)反映材料微觀組織結(jié)構(gòu)的變化，無損傷測量板材的相變溫度。

（2）在蘭姆波的強(qiáng)度足夠傳播一定距離以便于測量群速度的條件下，高階對稱S模式的蘭姆波更適合表征NiTi合金的相變。

（3）電阻法和聲發(fā)射方法也是測量熱彈性馬氏體相變的無損檢測方法。電阻法常用于測量截面積較小的材料，如絲材或薄膜。因為NiTi合金錫焊性能很差，連接導(dǎo)線往往用壓或夾的方式與合金連接，存在接觸電阻，在升、降溫過程中，由于熱脹冷縮，接觸電阻會有較大變化，有時甚至發(fā)生跳變，若測量較大截面積的工件，工件本身的電阻很小，接觸電阻的變化使得測量結(jié)果重復(fù)性變差。聲發(fā)射方法用于相變檢測時，噪聲和其它AE源的干擾對正確分析形狀記憶合金的相變AE有很大影響，如何排除干擾，建立起AE信號與馬氏體相變的關(guān)系，難度較大，有待進(jìn)一步研究。與其他無損檢測方法相比，蘭姆波方法設(shè)備簡單，操作方便，適合對形狀記憶合金薄板、薄壁管類的工件進(jìn)行檢測。

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