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外文资料翻译
学院：电子信息与自动化学院专业：自动化专业
姓名：杨映熙
学号：06021120
指导老师：贺庆
基于激光射线源和压电传感器的钢筋残余应力的超声波特性的研究
1 介绍
作为一种重要的组成部分，钢筋被广泛应用于多种工业领域之中。
为了改善部件的表面特性和延长其使用寿命，在加工完成后，通常会对其进行诸如回火和淬火等的热处理。
因此，通过检验部件在处理前后的表面特性的变化可以看出热处理是很有必要的。
材料的表面特性已经可以用瑞利波(Rayleigh waves)成功的表征了。
瑞利波通常由耦合于样品表面的压电传感器或是液力（如，水）耦合器产生和检测。
激光超声波是近年来兴起的一种无损检测技术，其中，超声波由激光脉冲产生并由激光干涉仪接收。
由于能有效的产生和接收表面波，因此，非常适合于测量表面特性，尤其适用于曲面。
通过测量瑞利波的波速，可以推导出一些信息，如表面质地、残余应力和表面处理的厚度和质量如淬硬和保护涂层等等。
如果能测出表面波的衰减过程，那么表面的显微结构、粗糙度和涂层质量也可明确。
通过对比一种材料各个特性对于超声波传播影响的显著性或是使用的超声波区分出不同影响（例如：使用两种不同的波的波速来区分应力），一种材料的特性和其变化过程可以被清楚地定义。
当今，工业中对于部件曲面的特性检测的需求快速增加。
作为此种应用的一个例子，本文将比较由压电传感器和激光超声波技术所检测出的由三种相同材料构成但经过不同热处理的钢筋的表面波来检测其表面残余应力。
通过测量每种钢筋表面波的波速，可以分析出其应力对于这些变化的相应反应的演进过程。
假定所观察到的波速的变化只和应力有关。
通过检查由热处理而造成的残余应力是否满足由超声波所观察到的应力的变化，可以验证这种假说的真实性。
2 理论背景
应力对于在物质中传播的超声波的最大影响是改变其传播速度。
另一个影响是在较小的程度上改变超声波的振幅，这可由波的衰减来辨别。
一般来说，波速的相关变化是与应力成比例的，并且比例系数是一个和物质相关的叫做声弹性系
数的参数。
当应力位于表面附近时，其作用不是使波穿过物体进行传播，而是使波的能量沿着表面在发送者和接受者之间传播。
在这些沿着表面传播的波中，瑞利波最为引人注意，因为其在传播过程中没有辐射损失（与同在表面传播的L 波和SV 波相比），而且此波的能量被集中于距表面一个波长的范围内。
一些研究显示了这些波对于不同物质应力的灵敏度（铁、铝、玻璃）。
由于瑞利波穿透材料的深度近似为一个波长，因此为通过测量不同频率的瑞利波来测量应力梯度提供了可能。
第一个关于表面波在弹性材料里均匀形变的理论是由Hayes 和Rivlin 创立的，其理论认为波沿着应力的一个主轴进行传播。
这个理论被Iwashimizu 、Kobori 和Gerhard 概括为：波的传播方向不与应力的某一主轴重合的情况。
对于Hirao 等人来说是初始应力随着材料板深度变化的情况。
其他学者还考虑过由各向异性现象所导致的应力与材质所共同造成的影响。
声弹性对瑞利波的影响已在铝合金和低碳钢上做过研究。
据报道，Jassby 和Saltoun 使用瑞利波进行应力的测量，Husson 等人用其来进行残余应力的测量。
瑞利波的波速也已通过接触传感器、非接触式EMAT 传感器和激光技术进行过测量。
最近，声学显微镜已被用来测量本地近地表应力，并且，使用行聚焦声学显微镜的声学特性材料已被多次用来测量陶瓷、铝和聚合材料的残余应力。
以上这些实践证明使用瑞利波的声弹性效应来进行表面残余应力的测量是极为灵敏的，例如，应力存在的层面是和瑞利波的穿透度相对应的。
当一束瑞利波在一个均匀的、有弹性的和中空的材料中传播时需要考虑到均匀静态形变。
当应变的主方向和材料的对称轴重合时且当由波的传播而引起的位移趋近于无穷小时，那么在静态应力的条件下波速的相关变化可表示为：
()()
T A T A V V V V V R R R R R R R 33121112012
12
120
12
12
+=
-=
∆ （1） ()
()
T A T A V
V V V
V R R R R R R R 33212221021
21
21021
21
+=
-=
∆ （2）
其中V R 12是瑞利波沿着传播方向“1”和偏振表面“3”传播的波速，V R 21是瑞利波沿着传播方向“2”和偏振表面“3”传播的波速。
V R 和V R 0
分别是受应力的与不受应力的材料的表面波的波速。
()
A R 112、()
A R 312、()
A R 221和()
A R 321是瑞利波的声弹性系数，此系数不仅与波的传播方向和偏振方向有关，还与应力方向有关。
声弹性系数的上标表示外加负载的方向，下标的含义同瑞利波波速所用下标。
T
1
、T 2和T 3分别是“1”、“2”和“3”方向的外加应力。
柱状曲面对瑞利波相速度的影响也已做过相关研究。
这些研究的一个主要发现便是：当曲面半径R 大于瑞利波波长λ时，瑞利波的轴向速度便与沿基底平面传播的瑞利波的波速相同。
另一个发现是：环向瑞利波的波速V RC 要略微大于基底平面的瑞利波波速V R 。
此外，对于值为100或以上的角加速度p （λπR p 2=），环向瑞利波的波速可用下式表示：
()δ+=1V V
R RC
（3）
其中，δ为于波速V R 相比的V RC 的修正值，与p 成反比，且取决于介质的弹性特性。
在本实验中，角加速度p 的值约为270，即δ很小，值为0.6%。
此外，Viktorov 注意到了环向瑞利波波速组有一个值为()2
1p 的修正值。
因此，环向和轴向瑞利
波波速组的差别甚至更小。
对于一根长的柱状钢筋，在其曲面上应力的两个主轴分别为：环绕方向的主轴T C 和其对称轴Z 轴方向的主轴T Z （见 图1，图略）。
因此，可以通过分别测量沿着环绕方向和Z 轴方向传播的瑞利波的波速V RC 和V RZ 来估算其便面弹性特性。
在此条件下，等式（1）和（2）可变换为下列两式：
()()
T A T A V V Z Z RC C C RC RC
RC
+=
∆0
（4） ()
()
T A T A V
V Z Z RZ C C RZ RZ
RZ
+=
∆0
（5）
3 实验
在我们的实验中，实验对象为由相同材料构成的三根钢筋。
在对其进行相同的机械加工后给予了不同的热处理。
它们代表了自动化工业生产中三种不同状态的工艺流程。
钢筋A 规格为：18.471mm ⨯660mm(直径⨯长度），处于“只经机械加工”状态。
钢筋B （18.499mm ⨯580mm ）和钢筋C （18.496mm ⨯580mm ）在机械加工过后进行过回火处理，最后，在对钢筋C 进行回火之后又对其进行了轻微淬火。
（最后，用红字标明英文文章题目，翻译截止页码、段落。
）。
