[發明專利]一種利用超聲空化評價金屬力學性能的方法及裝置

有效

• 申請號: 201711465813.8
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108225948B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 張玉榮;李發琪;李樺楠;王智彪;張明軍;曾德平
• 申請（專利權）人: 重慶醫科大學
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30;G01N3/307;G01N3/06;G01N17/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 周建軍

本發明提供一種利用超聲空化評價金屬力學性能的方法及裝置，該方法包括如下步驟：1)制備脫氣水，向加壓艙內注水并去除超聲換能器內表面的氣泡；2)將待檢測金屬切割成薄片樣品；3)將金屬薄片樣品固定在超聲換能器內，將光纖平行粘于金屬樣品表面，注滿水；4)啟動換能器的驅動裝置，連接高速攝像系統；5)確定焦點的位置及超聲換能器的最佳工作頻率，調整樣品的位置使得焦點位于其表面；6)通過高速攝像拍攝金屬的空蝕過程；7)觀察金屬的表面損傷形貌，結合金屬的物理性質評價其力學性能。本發明采用聲空化的方法從金屬表面形貌學的角度評價金屬的力學性能具有科學、方便的優點，對探究金屬的力學本構關系具有重大理論和應用價值。

技術領域

本發明涉及金屬材料的力學性能評價和表征領域，特別是涉及一種利用超聲空化評價金屬力學性能的方法及裝置。

背景技術

金屬材料的強度和塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度是機械加工領域常見的力學性能，各項力學性能指標需要通過不同的試驗測定，如室溫拉伸試驗、剪切試驗、疲勞試驗等，這種分散的力學性能測試方法不利于批量測試工作的開展。此外，關于金屬材料常規力學性能測試的不確定度評定的報道越來越多[見“Heavy CastingForging”，16卷第3期46-50頁，(2005年)]，這對常規力學性能測試的科學性提出了嚴峻的挑戰。因此，一種評價金屬材料的力學性能的新方法的提出是勢在必行的。

超聲空化泡崩潰瞬間，泡內出現局部而短暫的高溫、高壓，分別高達5000K和10⁵atm[見“Annu.Rev.Phys.Chem.”，59第1期659–683頁，(2008年)]，氣泡內外形成速度高達4000m/s，壓力高達10⁶kPa的沖擊波[見“Phys.Rev.Lett.”，84卷第6期1328-1330頁，(2000年)]，進而誘發自由基的生成，乃至聲致發光現象。此外，固體表面的空化泡的非對稱性坍縮能夠產生100m/s的高速射流[見“Ultrasonics Sonochemistry”，33卷第4期170–181頁，(2016)]。這些極端物理化學環境為金屬材料在特殊條件下力學性能的評價提供了重要的途徑。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種利用超聲空化評價金屬力學性能的方法及裝置，用于解決現有技術中常規力學性能測試的分散和不足等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明第一方面提供一種利用超聲空化評價金屬力學性能的方法，包括如下步驟：

1)制備脫氣水，向加壓艙內注水并去除超聲換能器內表面的氣泡；

2)將待檢測金屬切割成薄片樣品；

3)將金屬薄片樣品固定在超聲換能器內，將光纖平行粘于金屬樣品表面，光纖端部裸露，關閉加壓艙，注滿水；

4)啟動換能器的驅動裝置，連接高速攝像系統，設置其與功率源輸出同步；

5)通過光纖水聽器進行聲場和頻率掃描，確定焦點的位置及超聲換能器的最佳工作頻率，進一步調整樣品的位置使得焦點位于其表面，然后，調節高速攝像鏡頭的焦距至最佳拍攝狀態；

6)在一定的靜水壓力和驅動功率下對金屬表面進行空化處理，通過高速攝像拍攝金屬的空蝕過程；

7)觀察金屬的表面損傷形貌，并對其特征進行定性和定量分析，結合金屬的物理性質研究金屬在超聲輻照過程中的損傷機理，以此評價其力學性能。

在本發明的一些實施例中，步驟2)中，所述金屬選自金、銀、銅、鎢、鉬、鎳、鈦、錫、鋁、不銹鋼或者其合金中的至少一種。

在本發明的一些實施例中，步驟2)中，金屬薄片樣品的厚度為0.5-5mm，包括邊界值。

在本發明的一些實施例中，步驟2)中，金屬薄片樣品的厚度為1-5mm，包括邊界值。