渗氮是制造业中应用较广泛的表面热处理工艺之一,40Cr钢渗氮处理后可有效提高材料的表面耐磨性和接触疲劳强度。其中渗氮层厚度是衡量渗氮工艺效果的重要依据和参数。传统法常采用硬度法、金相法等方法检测渗氮层深,而这些方法大都具有破坏性和不可重复性,所以实现对40Cr钢渗氮层厚度快速准确的无损检测尤为重要。为实现40Cr钢渗氮层厚度的无损检测,本研究提出了一种激光超声表面波无损检测的方法。利用脉冲激光在金属表面无损激励出表面波,通过激光干涉仪非接触地接收信号。由于整个检测过程具备非接触、无损、精确的特点,所以激光超声无损表征渗氮层厚度将会有较大的应用前景。本文具体研究内容包括以下几个方面:第一章:绪论。首先介绍了课题研究背景,简要概述了激光超声发展历程和应用;然后总结了激光超声表面波研究现状,最后提出了论文的主要研究内容。第二章:弹性固体中的超声波理论。本章首先分析了激光激发超声波机理,随后推导了表面波在弹性介质中的波动方程及表面波质点运动轨迹方程,解释了表面波传播特性,最后详细介绍了激光激励超声的基本理论。第三章:激光超声有限元模拟。本章首先介绍了有限元模拟激光激发超声的基本步骤,选取了激光超声的重要参数;然后,分析了各向同性材料中激光作用区域的温度场分布及超声波全场波形图;最后,利用有限元对弹性模量梯度变化层/基体模型进行求解,讨论了不同弹性模量梯度变化层厚度和不同弹性模量变化量对表面波频散曲线的影响。结果表明:弹性模量值和厚度影响表面波的频散曲线,这为表面波检测渗氮层提供了可行性的分析。第四章:金属材料渗氮层厚度的有损评价。首先,介绍了渗氮试样的调质工艺和离子渗氮工艺;然后,通过硬度法和金相法测量了渗氮层厚度,为激光超声检测渗氮层厚度提供了数据支撑,最后分析了渗氮层表面物相成分。第五章:金属材料渗氮层厚度的无损检测。首先,介绍了激光超声检测系统的工作和检测原理;然后,采用激光超声系统检测了不同渗氮时间的40Cr钢试样,得到了渗氮试样上的表面波信号;接着,通过二维傅里叶变换得到了不同渗氮时间试样的频散曲线;最后,对比不同渗氮试样的频散曲线。结果发现:利用表面波速度表征渗氮层厚度受到渗氮层厚的限制,当表面波检测渗氮层厚度小于某一值时,表面波的传播速度和渗氮层厚度有一定的对应关系,通过这种对应关系就可以近似得到渗氮层的厚度。第六章:总结论文的研究成果,并阐述了论文的不足和改进方法。