激光冲击硬化材料表面粗糙度对激光声表面波色散影响的研究

摘要

本文从理论和实验方面研究了激光冲击硬化材料表面粗糙度对激光声表面波色散的影响。 首先从讨论激光超声产生的机制出发，明晰了热弹机制和声表面波的基本性质。介绍了常用的激光声表面波的激发和探测方法，通过对常用探测方法对比分析，利用传统的接触式PVDF压电薄膜传感器探测在粗糙表面传播的激光声表面波是一个有效的方法，这为后面的实验工作奠定了基础。 建立了激光声表面波在表面粗糙度很小的粗糙表面传播的理论模型。当粗糙表面横向相关长度远小于激光声表面波波长时，利用格林函数法近似求解得到了表面粗糙度对激光声表面波色散影响解析式。从理论结果中看出激光声表面波在粗糙表面传播发生色散现象不仅与表面粗糙度的两个参数(粗糙度均方值δ，横向相关长度α)有关，而且与材料的泊松比，杨氏模量，以及密度有关。当粗糙表面横向相关长度远小于声表面波波长时，表面粗糙度对激光声表面波的色散影响几乎是线性的。 搭建了用Nd：YAG脉冲激光器激发，PVDF传感器探测激光声表面波的实验系统。分别对不同激光冲击硬化次数下样品表面抛光前后的激光声表面波信号进行探测，通过对探测到的激光声表面波信号进行频谱分析，利用相位谱法得到激光声表面波的相速度色散曲线。从激光冲击硬化材料表面粗糙度对激光声表面波影响的色散曲线中可以看出激光冲击硬化材料表面粗糙度主要影响激光声表面波的高频成份，且随着激光冲击硬化次数的增加，表面粗糙度在引起激光声表面波色散的所有因素当中作用越来越小。将实验值和理论值对比分析后，得出理论色散解析式的正确性。 本文研究的结果，可对研究样品激光冲击硬化后残余应力、晶粒方向改变和错位密度增加分别对激光声表面波色散影响提供了基础，并对利用激光声表面波的色散特性来研究激光冲击硬化材料冲击层材料性质的变化具有一定的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3国内外研究进展

1.3.1声表面波在粗糙表面传播的理论研究进展

1.3.2激发和探测声表面波的实验研究进展

1.3.3声表面波在粗糙表面传播的实验研究进展

1.4本文主要研究工作

2激光声表面波及其激发与探测方法

2.1激光超声产生机制

2.2声表面波基本性质

2.2.1声表面波的传播特性

2.2.2声表面波传播的方向性

2.3激光声表面波的激发和探测方法

2.3.1激光声表面波的激发

2.3.2激光声表面波的探测

2.4本章小结

3表面粗糙度对激光声表面波色散影响的理论研究

3.1粗糙表面的数学统计描述与计算机生成

3.2激光声表面波在粗糙表面传播研究的理论方法

3.3激光声表面波在粗糙表面传播的理论模型

3.3.1激光声表面波在粗糙表面传播的波动方程

3.3.2有效边界条件

3.3.3表面粗糙度对声表面波色散影响解析式

3.4本章小结

4激光冲击材料表面粗糙度对激光声表面波色散影响的实验研究

4.1激光冲击硬化与冲击材料表面粗糙度的测量

4.1.1激光冲击硬化

4.1.2激光冲击材料表面粗糙度参数的测量

4.2利用PVDF传感器探测粗糙表面激光声表面波的实验装置

4.2.1 PVDF压电薄摸传感器

4.2.2利用PVDF传感器检测激光声表面波的实验系统

4.3激光冲击硬化样品表面抛光前后激光声表面波信号分析

4.3.1激光冲击硬化样品中的激光声表面波信号分析

4.3.2激光冲击硬化样品表面抛光后激光声表面波信号分析

4.4激光冲击硬化样品表面粗糙度对激光声表面波影响的色散曲线

4.4.1激光声表表面波相速度色散的计算理论

4.4.2表面粗糙度对激光声表面波影响的色散曲线

4.5本章小节

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献