超声共振无损检测技术:破坏性测试材料力学性能的终结者


真的能在不损坏材料的前提下准确测出材料的抗拉强度吗?

 

也许有人会好奇:怎么能将共振技术用于材料测试分析中呢?因为材料的分析与测试通常都是在一些计量实验室内进行,并且,抗拉强度测试一直都是采用传统的破坏性试验。所以,共振技术怎么会适合呢?

 

事实上,超声共振谱技术(Resonance Ultrasound Spectroscopy,简称RUS),就是共振检测的应用之一,已经被许多国家实验室及一流大学广泛使用,但是,截止到目前,该技术还没有实现真正的普及,在一些商业化实验室内并不常见。

 

想象一下,如果人们在不损坏材料的前提下,仅仅通过收集材料的固有频率就能够无损检测出材料的一些常规参数,例如杨氏模量、剪切模量、体积弹性模量,甚至是材料的泊松比等,那将会怎样呢?

 

如果能够实现在不需要真正破坏材料样品的前提下而准确的预测出该样品材料的抗拉强度,又会怎样呢?

 

毫无疑问,这项技术将会带来许多好处。

 

首当其冲的就是能节省大量的检测时间。

 

当你对一些材料进行调整时,包括铸件、锻件以及一些金属注射合金等,利用该技术,仅仅在几分钟内,你就可以知道哪些改变对材料的屈服强度产生了影响。这依据并不仅仅是理论猜测,还有一个包含了所有关于加工和质量问题的直接测量过程,并且测量结果是非常可靠的。

 

这并不是多年以后的事,而是现在可以实现的,并且这种测量已经过了测试验证。

 

2011年,Gregory James Weaver就在他的文章中提到:“声波或者超声共振频率与材料性能之间的关系在科学界已经被研究了许多年,随着科技理论、科技设备等的不断完善与创新,关于共振频率的研究仍在不断深入。随着时间的推移,几项重要的研究和试验表明:超声共振检测技术能够与材料的弹性性能直接联系起来。那时候我知道一些研究可能已经完成,但是由于保密性等原因我们并不能直接参考。在那之后,陆续还有少量的这方面的研究,尤其是其中有一项研究利用了超声共振技术对金属注射合金材料的屈服强度进行预测。这项研究得到的结论是:‘相关性分析结果表明对于金属注射合金材料而言,弹性极限应力只在0.2%的范围内变化,这主要归因于超声共振频率高于95%’”。

 

超声共振技术采用一个接触式压电换能器通过一系列的谐振频率对样品材料进行激发,并采用一个或多个接触式压电换能器进行数据采集工作。这些采集而来的数据,连同一些基本的起始参考数据,以及利用一套专门软件分析出来的样品的准确尺寸数据,就能知道样品的一些基本的材料参数。具体的说就是利用采集而来的测量频率和起始参考数据就能推导出材料参数。


 

采用超声共振技术对立方体合金材料进行检测 图片来源:Vibrant

 

专用软件中采用了一套基于 Levenburg-Marquardt算法的计算方法,用于减小测量出的和计算推导出的共振频率间的差异。这种检测结果是非常可靠的,能够准确提供前面所提到的一些材料参数。


 

采用超声共振技术对立方体合金材料进行检测 图片来源:Vibrant

 

超声共振检测技术的另一大优势在于该技术能够在操作温度下使用。

 

许多实验室都装备了冷却测试室、微炉以及定制的夹具,为的就是能够在低温环境或者实际操作温度下对样品进行测试。该方法显得很重要的一个原因就在于此,而很多破坏性试验都无法达到这些温度范围。

 

该技术具有广阔的应用前景,包括用来验证新合金的性质,确认生产材料的均匀一致性,以及评估疲劳样品或者多孔样品的有效模量等。这些应用中,不仅可以将专门处理过的零件作为检测样品,还可以直接从生产件上切割下一部分作为样品进行检测。

 

对于抗拉强度预测,共振频率可以从实际测试样品中获得,并且经过最初的特征共振与实际拉伸测量的相关性研究后,这些频率就可以用来预测样品的抗拉强度了。这种技术可能还需要一些前期相关工作,但当这些前期工作准备完毕后,就不再需要传统型的破坏性试验了。对于铸造公司和先进的制造企业来说,这可以节省大量的时间和金钱。

 

用于抗拉强度预测的共振频率同样可以用于其它一些用途。

 

例如用于验证某种合金的质量合格性,以及提供质量一致性的验证等,所有的这些都可以通过简单、快速的超声共振无损检测技术实现。