[發(fā)明專利]利用瑞雷波進(jìn)行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法

無效

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• 申請日: 2011-09-16
• 公開（公告）號: CN102426192A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 稅國雙;汪越勝;柯燎亮;陳阿麗;王正道
• 申請（專利權(quán)）人: 北京交通大學(xué)
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 北京市商泰律師事務(wù)所 11255
• 代理人: 毛燕生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用瑞雷波進(jìn)行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法。

背景技術(shù)

對機(jī)械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)中的在役結(jié)構(gòu)元件來說，在外載荷的作用(包括環(huán)境作用)下，其壽命一般可分為三個階段：早期的力學(xué)性能退化(包括物理、化學(xué)的老化和退化)、損傷的起始與積累(微孔和微裂紋)以及最后的斷裂失效。其中，損傷的起始與積累已在細(xì)觀力學(xué)、損傷力學(xué)以及兩者相結(jié)合的學(xué)科基礎(chǔ)上進(jìn)行了廣泛地研究。現(xiàn)在也已有眾多數(shù)據(jù)和大量模型來預(yù)測循環(huán)加載、環(huán)境影響下的裂紋擴(kuò)展直至最后破壞。然而，人們對于性能退化及其對材料長期行為的影響卻知之甚少。盡管由于多種載荷的相互作用以及環(huán)境因素的影響，這幾個階段的區(qū)分并不明確。但對于設(shè)計良好的結(jié)構(gòu)元件來說，常是第一階段(即早期力學(xué)性能退化)占據(jù)了整個壽命的大部分時間。例如，有研究表明：對承受循環(huán)載荷的金屬結(jié)構(gòu)材料來說，從內(nèi)部位錯群的大量產(chǎn)生到駐留滑移帶的形成，再到駐留滑移帶內(nèi)微裂紋的成核、長大，直至宏觀裂紋的形成，這一階段占結(jié)構(gòu)材料整個疲勞壽命的80-90％。因此，研究發(fā)展材料和結(jié)構(gòu)早期力學(xué)性能退化的超聲無損檢測就顯得十分重要。

超聲無損檢測技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品制造和使用過程中不可缺的檢測手段之一，在各個方面都有著廣泛的應(yīng)用。目前比較成熟的超聲無損檢測技術(shù)主要針對材料或結(jié)構(gòu)的缺陷起始和積累階段以及最終失效階段，如探測材料中的微孔、微裂紋等缺陷的存在和分布。其中主要應(yīng)用到波的時程、聲速、衰減、阻抗、散射等信息。但是，這些參數(shù)對材料和結(jié)構(gòu)早期力學(xué)性能的退化很不敏感。

近年來，非線性超聲技術(shù)引起了人們的廣泛重視。越來越多的研究表明，材料性能退化與超聲波的非線性效應(yīng)密切相關(guān)。比如對金屬材料來說，在晶體承受疲勞、高溫蠕變、高速沖擊等加載過程中，以及在剪切帶中和裂紋前緣，內(nèi)部存在高度有序和高度非均勻的位錯空間結(jié)構(gòu)，稱之為位錯組態(tài)或位錯花樣。不同的材料和不同的力學(xué)過程會產(chǎn)生不同的位錯組態(tài)。雖然這些位錯組態(tài)對波的聲速、衰減、阻抗以及散射等線性參數(shù)影響不明顯，但由于這些位錯組態(tài)的存在，將使其中傳播的超聲波波形產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致單一頻率的超聲波中會有高頻諧波的產(chǎn)生，即單一頻率的超聲波在具有非線性特性的介質(zhì)或結(jié)構(gòu)中傳播時將產(chǎn)生二倍、三倍等整數(shù)倍頻率的高階諧波。因此通過對這些高頻諧波的測量研究，找到其處于不同階段的聲學(xué)非線性系數(shù)，就可以了解材料內(nèi)部微觀位錯組態(tài)的變化，從而對材料和結(jié)構(gòu)的早期力學(xué)性能退化和損傷做出有效的無損檢測。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的利用瑞雷波進(jìn)行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法；利用將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機(jī)玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機(jī)玻璃斜楔粘貼于存在不同程度表面損傷的金屬板狀試件表面激發(fā)和接收瑞雷波。對接收得到瑞雷波信號進(jìn)行多次平均的方法以提高瑞雷波信號的信噪比，并有效抑制測試過程中隨機(jī)因素的影響，對多次平均后的瑞雷波信號應(yīng)用漢寧窗函數(shù)，消除儀器設(shè)備暫態(tài)過程對測量結(jié)果的影響，然后進(jìn)行快速傅立葉變換，得到信號中的基頻和高頻成分A₁、A₂，將A₁、A₂帶入公式即可得到存在不同程度表面損傷試件的非線性系數(shù)。

本發(fā)明的利用瑞雷波進(jìn)行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，包括以下步驟：

1)瑞雷波的激發(fā)和接收：將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機(jī)玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機(jī)玻璃斜楔粘貼在鎂合金試件表面；利用Ritec?SNAP-0.25-7-G2非線性超聲測試系統(tǒng)主機(jī)產(chǎn)生超聲信號，超聲信號在鋁鎂合金試件表面激發(fā)瑞雷波；在試件的另一端，同樣利用鈮酸鋰晶片換能器和傾角相同的有機(jī)玻璃斜楔接收瑞雷波，接收超聲信號的鈮酸鋰晶片換能器中心頻率為4MHz；

2)測試系統(tǒng)可靠性檢測：在試件和傳播距離相同的情況下，采用在不同輸入電壓的情況下來驅(qū)動壓電傳感器，并測量相應(yīng)的瑞雷波信號，通過對不同驅(qū)動電壓檢測到的瑞雷波信號通過計算機(jī)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到不同驅(qū)動電壓下瑞雷波的基頻幅值A(chǔ)₁和倍頻幅值A(chǔ)₂；通過擬合曲線可知，超聲信號中的倍頻幅值A(chǔ)₂與基頻幅值的平方A₁²接近于正比關(guān)系，利用該非線性超聲測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測得試件的非線性系數(shù)；