[發(fā)明專利]一種各向同性材料三階彈性常數(shù)測定系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210562391.0
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN114894903B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發(fā)明（設計）人: 張旭;陳雷;劉剛;秦福敏;王志聰
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01N29/22;G01N29/44
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發(fā)明公開了一種各向同性材料三階彈性常數(shù)測定系統(tǒng)及方法，屬于彈性常數(shù)測定技術領域。包括分別測定初始溫度下被測試樣的初始材料密度、初始橫波波速和初始縱波波速；根據(jù)被測試樣的初始材料密度、初始橫波波速和初始縱波波速，獲取被測試樣的二階彈性常數(shù)；分別測定在無約束狀態(tài)下和有約束狀態(tài)下，被測試樣在不同溫度條件下自然波速相對于初始波速的變化和熱應變；根據(jù)熱應變、自然波速相對于初始波速的變化和二階彈性常數(shù)，根據(jù)熱致聲彈性效應，獲取被測試樣的三階彈性常數(shù)。通過本發(fā)明的改進，使得實驗流程簡單，保證了測量精度。解決現(xiàn)有技術中存在的“實驗裝置復雜、測試流程繁瑣、要求被測試樣具有特定的形狀尺寸且誤差范圍較大”問題。

技術領域

本申請涉及彈性參數(shù)測定技術領域，特別是涉及一種各向同性材料三階彈性常數(shù)測定系統(tǒng)及方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提到了與本申請相關的背景技術，并不必然構成現(xiàn)有技術。

彈性常數(shù)是描述固體材料力學性質(zhì)的重要參數(shù)，其中二階彈性常數(shù)反映了材料的線性彈性行為，而三階彈性常數(shù)則與材料的非線性彈性響應有關，涉及到晶格非簡諧、波形畸變、邊頻帶以及高次諧波等效應，在材料性能的表征與檢測中起著重要作用。

目前，實驗測量固體材料三階彈性常數(shù)的傳統(tǒng)方法主要有單軸壓縮法、靜水壓力法、諧波生成法等。其中，單軸壓縮法和靜水壓力法主要是測量單軸和靜水加載條件下試樣中小振幅聲波速度的變化。田家勇學者在論文《巖石三階彈性模量的高精度測定研究》中通過脈沖回波法測量了雙軸加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲橫、縱波波速變化，來測定巖石的三階彈性模量。但是，該方法需要復雜的應力加載測量裝置，實驗費時費力且誤差范圍較大。

姜文華學者在論文《測量三階彈性常數(shù)的非線性聲學方法》中利用諧波生成法測量了有限振幅聲波在試樣中傳播時所產(chǎn)生的二次諧波分量，依據(jù)非線性系數(shù)來確定材料的三階彈性常數(shù)。但是，為了保證測量的準確性，該方法需采用較高的工作頻率且要求試樣具有足夠的長度，這給被測試樣的制作，特別是單晶樣品帶來的困難。

南京理工大學提出了一種利用激光超聲波測定金屬三階彈性常數(shù)的方法(公開號為CN102297898B，金屬三階彈性常數(shù)的激光超聲測定方法)。該方法利用脈沖激光線源激發(fā)聲表面波，通過測量有應力和無應力狀態(tài)下的體波及表面波波速來計算金屬材料的三階彈性常數(shù)。但是，該方法需要考慮應變引起的金屬密度和測厚變化，容易引入測量誤差，給實驗操作帶來了不便。

綜上所述，目前的三階彈性常數(shù)測定方法往往都存在實驗裝置復雜、測試流程繁瑣、要求被測試樣具有特定的形狀尺寸且誤差范圍較大的缺點，這導致許多常見固體材料的三階彈性常數(shù)都缺乏研究。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術的不足，本申請?zhí)峁┝艘环N各向同性材料三階彈性常數(shù)測定系統(tǒng)及方法，采用脈沖回波法測量不同溫度條件下被測試樣的體波波形，利用尾波干涉法分析體波自然波速的相對變化，結合熱致聲彈性理論可無損、快速、簡便、高精度的測量各向同性材料的三階彈性常數(shù)，對材料試樣的尺寸要求較低，實驗流程簡單，保證了測量精度。

第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N各向同性材料三階彈性常數(shù)測定系統(tǒng)；

一種各向同性材料三階彈性常數(shù)測定系統(tǒng)，包括環(huán)境箱、計算機、超聲脈沖信號發(fā)生器、換能器和示波器；

所述環(huán)境箱用于進行各向同性材料三階彈性常數(shù)的測定實驗；所述計算機用于實時監(jiān)控環(huán)境箱內(nèi)的溫度，控制升溫間隔和恒溫時間；

所述超聲脈沖信號發(fā)生器用于發(fā)出激發(fā)電信號；所述換能器用于將激發(fā)電信號轉(zhuǎn)換為力信號作用于被測試樣并采集被測試樣的脈沖回波信號及尾波信號通過超聲脈沖信號發(fā)生器傳輸至所述示波器；所述示波器用于顯示脈沖回波波形和尾波波形，將脈沖回波波形和尾波波形傳輸至所述計算機以進行波形分析。