兰姆波表征形状记忆合金相变试验

王开圣，赵志敏

（南京航空航天大学 理学院应用物理系，南京 210016）

NiTi形状记忆合金是工程和生物医学领域应用日益广泛的新材料，也作为敏感元件和驱动器应用在智能结构中，其独特的形状记忆效应和超弹性与其热弹性马氏体相变紧密相关，工程和科研上常用示差扫描量热仪（DSC）、电阻法及变温X射线衍射（XRD）等方法测量NiTi合金相变，然而这些方法仅能检测较小的样品，很难对板、管、棒等大工件进行无损检测。一些研究表明，NiTi合金相变时，除了电阻发生变化外，还伴随弹性模量变化、内耗和声发射等现象［1－3］，这使得声学方法可用来检测形状记忆合金的相变。

超声波检测技术在材料检测方面已有许多应用，如声速与材料的弹性模量、密度及晶体取向密切相关，超声能量的衰减也与材料的许多参数有关，如晶粒度、位错密度、空隙及晶体结构等。也有研究者注意到了一些材料在发生相变时，随着微观组织结构的变化，声速及声衰减出现了明显改变［4－5］。

兰姆波是在厚度与激励声波波长相当的声波导中传播的超声波，材料的组织结构以及内部缺陷对兰姆波的传播模式及频散特性很敏感，兰姆波检测技术正是在此基础上发展起来，已被尝试应用于板、棒及管状材料的无损检测和微传感技术领域［6－8］，成为目前超声检测领域热门的研究方向之一。研究利用兰姆波探测NiTi合金微观组织结构的变化情况，研究对合金薄板相变敏感的兰姆波模式，探究合金相变时兰姆波群速度的变化规律，测量合金薄板相变温度。

1 试验材料

试验材料选用300mm×200mm×2mmNiTi合金板（原子比 Ni：50.2%，Ti：49.8%）。众所周知，近等原子比NiTi合金升温时，会发生马氏体到奥氏体相变［9］。用常规DSC方法测量了升温时试样的相变温度，从马氏体向奥氏体转变开始温度As为37℃，转变结束温度Af为46℃。

2 NiTi形状记忆合金板兰姆波频散曲线

兰姆波频散曲线是在速度－频率空间上描述兰姆波不同模态的传播特性，它对兰姆波技术的应用具有重要参考和指导意义，频散曲线是频散方程数值解的图像表示，板中的兰姆波频散方程可表示为：对称模态

反对称模态

研究用Matlab软件编程，采用二分法求解频散方程，并绘制出频散曲线图。由于NiTi合金的纵波和横波速度随温度改变而变化，所以不同温度时频散曲线会有所不同，根据不同温度的频散曲线可以了解相变前后兰姆波的变化行为。为绘制频散曲线，对与薄板试样材质相同的NiTi合金棒材相变前后的纵波及横波速度进行了测量，用测得的数据代入频散方程求解，然后分别制得相变前的5℃、相变开始点37℃及相变结束点46℃时的NiTi合金薄板的相速度和群速度频散曲线，如图1及图2所示。图中实线和虚线分别表示板中的对称模式S和反对称模式A，把相变前、相变开始及相变结束时的曲线绘制在同一张图上以利于比较。对S模态，分别用黑色的细实线、蓝色粗实线及加粗的红色实线加以区别，对A模态，分别用黑色点线、蓝色虚线及红色点虚线绘制以示区别。从图2可以看出，在频厚积一定，即板厚和声源频率一定时，所对应各模式兰姆波的群速度在相变前后会发生变化，例如，频厚积为5MHz·mm时，相变前，随温度升高，S3模态群速度减小，相变开始后，随温度升高，S3模态群速度由减小变为增大，相变前的群速度变化幅度小，而相变开始后群速度变化幅度大；从图2还可看出，相变前后高阶S模式的兰姆波群速度的改变量比较大，所以，在保证兰姆波有足够强度传播一定距离以便于测量群速度的前提下，高阶S模式的兰姆波更适合表征NiTi合金相变。

试验采用带有机玻璃楔块的可变角PZT探头激发兰姆波。根据Snell定理，选取一定的斜入射角，可以激励相应相速度的导波模态。试验时选取S1及S3两种模态，分别用中心频率为1.25及2.5MHz两种探头激发，对2mm厚的板，频厚积分别为2.5和5MHz·mm。从图1可知相应的S1及S3模态的相速度，由Snell定理计算激发时所要的入射角，从图2可知S1及S3模态的群速度，结果一并列于表1中，表中数据由初始测量温度5℃时的频散曲线得到。

表1 选用兰姆波模式及入射角

3 试验方法和设备

将NiTi合金置于调温箱中，以2～3℃／min速度从5℃升温至80℃，测量各温度时兰姆波的群速度，通过群速度的变化表征合金的相变过程。

试验采用CTS－23型超声波探伤仪作信号激励源，中心频率为1.25及2.5MHz的可变角PZT探头各2个，同频率的探头一组使用，采用一发一收的方式，其中发射探头用环氧树脂胶固定在薄板上使耦合稳定。使用1.25MHz探头时，将探头2入射角调至53°，在板中激发S1模式兰姆波，使用2.5MHz探头时，将入射角调至29°，激发S3模式。使用TDS1002数字存储示波器接收兰姆波信号，并通过示波器RS232串口将数据传送到计算机，利用LabVIEW软件制成的虚拟平台测量群速度，以提高检测精度和速度。测量装置示意图如图3所示。

图3 兰姆波检测装置示意图

4 试验结果及讨论

试验时将接收探头分别置于相距100mm的两处接收兰姆波，用数字示波器测出两次接收的兰姆波传播时间差计算群速度。对相变前的5℃，测得1.25及2.5MHz探头激发的兰姆波群速度分别为2020及3550m／s，与表1中列出的理论值接近，说明1.25MHz探头激发了低阶S1模式兰姆波，2.5MHz探头激发了高阶S3模式兰姆波，相变前后，两种模式兰姆波群速度随温度的变化规律见图4。

图4 不同模式兰姆波群速度随温度变化规律

在合金温度低于36℃时，即马氏体向奥氏体开始转变温度之前，合金相结构为单相马氏体组织，从图4可以看出，随温度升高群速度缓缓降低，但当温度超越36℃后，合金为马氏体与奥氏体两相共存状态，曲线变陡，群速度出现明显转折，不降反升，而且上升速度较快，直至到达46℃，即相变结束温度。超越该温度后，合金为单相奥氏体组织，曲线变平，随温度增加，群速度变化幅度很小。上述现象说明兰姆波信号能动态反映材料内部微观组织结构的变化，可用来表征合金的相变过程，并可根据群速度与温度关系曲线上的转折点测量合金的相变温度。

比较S1模式与S3模式的兰姆波，相变前后S3模式群速度的变化幅度大，说明高阶对称模式的兰姆波对表征合金的相变更有利。

5 结论

通过理论和试验研究得到如下结果：

（1）当NiTi合金薄板受热从马氏体组织向奥氏体组织转变时，板中兰姆波群速度发生明显改变，尤其在相变起始点和结束点，均会发生突变，这表明可以用兰姆波方法表征NiTi形状记忆合金薄板的相变，动态反映材料微观组织结构的变化，无损伤测量板材的相变温度。

（2）在兰姆波的强度足够传播一定距离以便于测量群速度的条件下，高阶对称S模式的兰姆波更适合表征NiTi合金的相变。

（3）电阻法和声发射方法也是测量热弹性马氏体相变的无损检测方法。电阻法常用于测量截面积较小的材料，如丝材或薄膜。因为NiTi合金锡焊性能很差，连接导线往往用压或夹的方式与合金连接，存在接触电阻，在升、降温过程中，由于热胀冷缩，接触电阻会有较大变化，有时甚至发生跳变，若测量较大截面积的工件，工件本身的电阻很小，接触电阻的变化使得测量结果重复性变差。声发射方法用于相变检测时，噪声和其它AE源的干扰对正确分析形状记忆合金的相变AE有很大影响，如何排除干扰，建立起AE信号与马氏体相变的关系，难度较大，有待进一步研究。与其他无损检测方法相比，兰姆波方法设备简单，操作方便，适合对形状记忆合金薄板、薄壁管类的工件进行检测。

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