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 理學院應用物理系，南京 210016）

NiTi形狀記憶合金是工程和生物醫學領域應用日益廣泛的新材料，也作為敏感元件和驅動器應用在智能結構中，其獨特的形狀記憶效應和超彈性與其熱彈性馬氏體相變緊密相關，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、棒等大工件進行無損檢測。一些研究表明，NiTi合金相變時，除了電阻發生變化外，還伴隨彈性模量變化、內耗和聲發射等現象［1－3］，這使得聲學方法可用來檢測形狀記憶合金的相變。

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

蘭姆波是在厚度與激勵聲波波長相當的聲波導中傳播的超聲波，材料的組織結構以及內部缺陷對蘭姆波的傳播模式及頻散特性很敏感，蘭姆波檢測技術正是在此基礎上發展起來，已被嘗試應用于板、棒及管狀材料的無損檢測和微傳感技術領域［6－8］，成為目前超聲檢測領域熱門的研究方向之一。研究利用蘭姆波探測NiTi合金微觀組織結構的變化情況，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，會發生馬氏體到奧氏體相變［9］。用常規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變開始溫度As為37℃，轉變結束溫度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的傳播特性，它對蘭姆波技術的應用具有重要參考和指導意義，頻散曲線是頻散方程數值解的圖像表示，板中的蘭姆波頻散方程可表示為：對稱模態

反對稱模態

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，對與薄板試樣材質相同的NiTi合金棒材相變前后的縱波及橫波速度進行了測量，用測得的數據代入頻散方程求解，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、相變開始及相變結束時的曲線繪制在同一張圖上以利于比較。對S模態，分別用黑色的細實線、藍色粗實線及加粗的紅色實線加以區別，對A模態，分別用黑色點線、藍色虛線及紅色點虛線繪制以示區別。從圖2可以看出，在頻厚積一定，即板厚和聲源頻率一定時，所對應各模式蘭姆波的群速度在相變前后會發生變化，例如，頻厚積為5MHz·mm時，相變前，隨溫度升高，S3模態群速度減小，相變開始后，隨溫度升高，S3模態群速度由減小變為增大，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。

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

表1 選用蘭姆波模式及入射角

3 試驗方法和設備

將NiTi合金置于調溫箱中，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，采用一發一收的方式，其中發射探頭用環氧樹脂膠固定在薄板上使耦合穩定。使用1.25MHz探頭時，將探頭2入射角調至53°，在板中激發S1模式蘭姆波，使用2.5MHz探頭時，將入射角調至29°，激發S3模式。使用TDS1002數字存儲示波器接收蘭姆波信號，并通過示波器RS232串口將數據傳送到計算機，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探頭激發了低階S1模式蘭姆波，2.5MHz探頭激發了高階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律見圖4。

圖4 不同模式蘭姆波群速度隨溫度變化規律

在合金溫度低于36℃時，即馬氏體向奧氏體開始轉變溫度之前，合金相結構為單相馬氏體組織，從圖4可以看出，隨溫度升高群速度緩緩降低，但當溫度超越36℃后，合金為馬氏體與奧氏體兩相共存狀態，曲線變陡，群速度出現明顯轉折，不降反升，而且上升速度較快，直至到達46℃，即相變結束溫度。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。上述現象說明蘭姆波信號能動態反映材料內部微觀組織結構的變化，可用來表征合金的相變過程，并可根據群速度與溫度關系曲線上的轉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 結論

通過理論和試驗研究得到如下結果：

（1）當NiTi合金薄板受熱從馬氏體組織向奧氏體組織轉變時，板中蘭姆波群速度發生明顯改變，尤其在相變起始點和結束點，均會發生突變，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，動態反映材料微觀組織結構的變化，無損傷測量板材的相變溫度。

（2）在蘭姆波的強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果重復性變差。聲發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系，難度較大，有待進一步研究。與其他無損檢測方法相比，蘭姆波方法設備簡單，操作方便，適合對形狀記憶合金薄板、薄壁管類的工件進行檢測。

［1］Carvallo M，Pu Z J，Wu K H.Variation of electrical resistance and the elastic modulus of shape memory alloys under different loading and temperature conditions［J］.J Intell Mater Syst And Struct，1995，6（7）：557－565.

［2］蘆笙，林萍華，陳靜，等.聲發射在形狀記憶合金研究中的應用［J］.中國有色金屬學報，2001，11（6）：1002.

［3］吳曉東，王征，吳建生.用于智能材料與結構的Ni－Ti絲的電阻特性研究［J］.上海交通大學學報，1998，32（2）：80－83.

［4］Marc Dubois，Andre′ Moreau.Ultrasonic velocity measurements during phase transformations in steels using laser ultrasonic［J］.Journal of Applied Physics，2001（11）：6487－6495.

［5］Bolognini S，Moreau A.Ultrasonic absorption in ultra－low carbon steel［J］.Journal of Applied Physics，2003，94（6）：3771－3780.

［6］Grondel S，Assaad J，Moulin E.Health monitoring of a composite wingbox structure［J］.Ultrasonics，2004，42（1／9）：819－824.

［7］Basri R，Chiu W K.Numerical analysis on the interaction of guided Lamb waves with a local elastic stiffness reduction in quasi－isotropic composite plate structures［J］.Composite Structures，2004（66）：87－99.

［8］劉增華，何存富，吳 斌，等.利用蘭姆波對板狀結構中隱蔽腐蝕缺陷的檢測［J］.實驗力學，2005，20（2）：166－170.

［9］趙連城，蔡偉，鄭玉峰.合金的性狀記憶效應與超彈性［M］.北京：國防工業出版社，2002.