[實(shí)用新型]利用非線性瑞利波檢測(cè)材料早期力學(xué)性能退化的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201020164748.2
• 申請(qǐng)日: 2010-04-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN201653989U
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳斌;顏丙生;李佳銳;何存富
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N29/04
• 分類(lèi)號(hào): G01N29/04;G01N29/11
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種利用非線性瑞利波無(wú)損檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的裝置，屬于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

機(jī)械零部件由于長(zhǎng)期承受拉伸、壓縮或交變載荷而產(chǎn)生力學(xué)性能退化，最終斷裂失效是一種非常普遍的現(xiàn)象。金屬零部件力學(xué)性能退化在微觀上主要分為三個(gè)階段：位錯(cuò)的大量產(chǎn)生以及駐留滑移帶的形成、滑移帶的增多和微裂紋的成核長(zhǎng)大、宏觀裂紋的產(chǎn)生以及最后的斷裂失效。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的結(jié)構(gòu)元件來(lái)說(shuō)，第一和第二階段一般占金屬零部件整個(gè)疲勞壽命的60％～80％。因此，發(fā)展金屬材料早期力學(xué)性能退化的有效檢測(cè)和評(píng)價(jià)手段就顯的十分重要。現(xiàn)有的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)利用波的時(shí)程、聲速和衰減等線性物理參數(shù)已經(jīng)可以檢測(cè)材料中宏觀裂紋的存在和分布。但是，上述線性物理參數(shù)對(duì)出現(xiàn)宏觀裂紋前的材料早期力學(xué)性能退化很不敏感。

非線性超聲無(wú)損檢測(cè)方法利用聲波在金屬材料中傳播時(shí)的非線性效應(yīng)(即波形畸變、諧波產(chǎn)生等)可以對(duì)材料的早期力學(xué)性能退化進(jìn)行檢測(cè)。目前的研究多是利用縱波非線性來(lái)測(cè)量材料的超聲非線性系數(shù)，無(wú)法對(duì)板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能退化進(jìn)行檢測(cè)。另外，由于表征材料非線性效應(yīng)大小的非線性系數(shù)β非常小，很容易被檢測(cè)儀器等帶來(lái)的非線性所淹沒(méi)。因此，測(cè)量裝置的研制和檢測(cè)方法的研究仍然是非線性超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的主要方向之一。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種利用非線性瑞利波檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的裝置。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提出一種利用瑞利波檢測(cè)金屬材料力學(xué)性能退化的裝置，特別是針對(duì)金屬板結(jié)構(gòu)早期力學(xué)性能退化的無(wú)損檢測(cè)裝置。

利用非線性瑞利波無(wú)損檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的裝置，其特征在于，該裝置由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高能低通濾波器依次連接，高能低通濾波器一路連接衰減器，另一路連接被測(cè)試件，在被測(cè)試件的兩端分別安裝發(fā)射傳感器和接收傳感器，衰減器和接收傳感器連接示波器，示波器連接計(jì)算機(jī)。

該裝置可以在不破壞被測(cè)零部件的情況下，利用將發(fā)射傳感器直接安裝在試件的邊緣發(fā)射單一頻率的瑞利波，將中心頻率為發(fā)射傳感器二倍的接收傳感器直接安裝在試件的另一邊來(lái)接收瑞利波信號(hào)，對(duì)接收到的瑞利波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后獲得材料的超聲非線性系數(shù)，通過(guò)對(duì)超聲非線性系數(shù)的分析來(lái)了解材料力學(xué)性能退化的情況。

本實(shí)用新型基本原理在于：

由于固體介質(zhì)的非線性，單一頻率正弦超聲波將與固體介質(zhì)間產(chǎn)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生高次諧波，非線性系數(shù)β可以表征材料的非線性效應(yīng)，定義為：

β=8(A2A12)1k2x---(1)]]>

其中k＝ω/c為波數(shù)，ω為角頻率，c為波速，A₁和A₂分別為基波和二次諧波幅值，x為波傳播的距離。對(duì)于給定的頻率和樣品長(zhǎng)度，通過(guò)對(duì)基波和二次諧波幅值的測(cè)量，就可以確定材料的超聲非線性系數(shù)。金屬材料的非線性主要來(lái)自于位錯(cuò)、晶帶滑移等微觀缺陷。不同疲勞損傷程度具有不同的微觀缺陷組態(tài)，非線性系數(shù)的大小也不同，從而借助非線性系數(shù)來(lái)了解材料的早期力學(xué)性能退化情況。

本實(shí)用新型主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用將發(fā)射和接收傳感器直接安裝在試件的邊緣來(lái)發(fā)射和接收瑞利波可以提高信號(hào)的發(fā)射和接收效率，減小傳感器和被測(cè)試件耦合帶來(lái)的非線性影響。(2)瑞利波具有在光滑曲面?zhèn)鞑ザ话l(fā)生反射，能量主要集中在表面而便于采集，傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以利用非線性瑞利波檢測(cè)金屬材料的力學(xué)性能退化相比與縱波有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。(3)發(fā)射接收均采用壓電傳感器相比于激光干涉儀等非接觸式測(cè)量方式對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求更低，容易適用于工程實(shí)際。(4)實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)試件的連續(xù)在線檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1檢測(cè)裝置原理圖；