随着现代工业技术的快速发展,金属材料在工业生产中常处于恶劣的工作环境,其结构表面难免受到不同程度的损伤,而工件寿命很大程度上取决于材料的表面性能。表面强化层对金属零部件抗疲劳性能的提升起重要作用,而强化层厚度是评价强化层性能的重要指标之一,因此有必要对强化层的厚度进行无损检测。为了实现金属材料表面强化层厚度的快速无损检测,一种新型的检测方法—激光超声表面波技术应运而生。激光超声表面波因具有传播距离远、检测范围广、易于扫描等优点,克服了传统超声在恶劣环境(高温、重载、腐蚀等)下的应用制约,已经成为了无损检测领域重要的技术手段之一。论文研究了利用激光超声表面波无损检测38CrMoAl钢表面渗氮层厚度的方法,主要包括以下几个方面。首先,本文介绍了热弹机制和烧灼机制下,激光激发声表面波的原理。讨论了对材料表面无损害的热弹激发机制,根据固体介质中的热力学定律,分析了激光超声的温度场、位移场和应力场。重点介绍了激光超声表面波的基本特性,概括了激光超声技术常用的传感器法和光学法。其次,介绍了具有自动扫描功能的激光超声可视化系统,其工作原理是激励源产生脉冲激光,同时通过电动小镜控制脉冲激光扫描被检测工件,使用激光干涉仪垂直照射在固定点上来采集超声波离面位移信号,再对该信号进行算法处理生成超声波传播的动态图像。随后,利用激光超声表面波对裂纹深度进行了检测,通过实验观测了激光点源激发的声表面波与不同深度的表面缺陷的相互作用过程。结果得到了:声表面波的反射与透射系数随着表面缺陷深度的变化规律;在不同深度缺陷时,声表面波随时间传播的动态图像和B扫信号的变化。根据建立的缺陷深度与反射和透射系数的关系,采用激光超声可视化设备实现了通过无损测量来评价裂纹深度的目的。另外,验证了不同频率的表面波有不同传播深度的结论。最后,利用激光超声表面波对38CrMoAl钢表面渗氮层厚度进行了检测。由于表面波的传播速度与材料的属性相关,并且表面波的传播深度约为一个波长λ(λ=v/f),所以通过提取不同频率f下的激光超声表面波速度,以得到表面波的频散曲线。实验结果发现:不同渗氮层厚度试样的频散曲线上,都存在一个特殊点,该点所对应的中心频率与渗氮层的厚度有单调递减的关系。利用这种关系,可以实现材料渗氮层厚度的测量。