[發明專利]一種評價材料早期力學損傷的超聲方法

在審

• 申請號: 201910256800.2
• 申請日: 2019-04-01
• 公開（公告）號: CN109946385A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 羅忠兵;林莉;王新禹;孟亦圓;金士杰;馬志遠
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N29/11
• 分類號: G01N29/11
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽;楊翠翠

一種評價材料早期力學損傷的超聲方法，屬于力學損傷評價與無損檢測技術領域。該方法包括以下步驟：分別測量被檢材料和楔塊材料的縱波聲速，計算臨界折射縱波楔塊角度并確定幾何尺寸；采用一發一收方式在被檢材料未損傷試樣表面激勵、接收臨界折射縱波，優選超聲探頭頻率和楔塊間距；采集被檢材料未損傷試樣、損傷試樣表面臨界折射縱波，并對臨界折射縱波幅值進行歸一化處理；建立歸一化幅值與力學損傷參數之間的對應關系。該方法對同一試樣多次測量結果波動小，較超聲脈沖反射法具有更好的穩定性和重復性，評價材料早期力學損傷結果更為可靠。

技術領域

本發明涉及一種評價材料早期力學損傷的超聲方法，屬于力學損傷評價與無損檢測技術領域。

背景技術

工程構件在制造、服役過程中，由于熱、力等多種能場交互作用，不可避免發生一定的力學損傷，降低承載性能。構件的表面/亞表面幾何位置特殊，缺陷和損傷常在這里形核，直接或間接促進宏觀裂紋的形成與擴展，破壞構件的結構完整性。因此，在力學損傷早期對其進行有效評價是提高構件制造和服役質量、預防災難的重要手段。

近年來，基于超聲方法的材料缺陷和損傷無損檢測與評價備受關注。對于宏觀缺陷檢測而言，主要是利用缺陷對超聲波的散射作用而進行的，如脈沖反射法檢測宏觀裂紋。對于早期損傷，評價方法大不相同，原因在于微觀缺陷(位錯等)并沒有造成明顯的散射信號，而是體現在微觀缺陷群對聲傳播的吸收累積，因此，主要依賴聲學特性變化來反映早期損傷的演變情況，包括材料彈性相關的聲速和聲傳播能量相關的聲衰減^[1,2]。位錯是工程結構材料塑性變形的載體，聲學特性變化主要體現位錯的阻尼，因此聲衰減對早期損傷更為敏感，應用也更為廣泛^[3,4]。但聲衰減測試影響因素較多^[5,6]，以脈沖反射法為例，試樣所處位置與探頭近場、遠場的相對關系，耦合過程中壓持探頭的力度等多種操作因素都會對測試結果造成影響；同時，表征聲衰減的聲衰減系數測量必須以構件厚度為先驗信息，對于內/外表面粗糙、封閉式構件是很難獲得的。因此，如何精準可靠測量聲衰減是早期力學損傷聲學評價的關鍵問題。

臨界折射縱波是以第一臨界角入射、在試樣表面/亞表面傳播的縱波。研究表明^[7-9]：臨界折射縱波在試樣內滲透深度約幾個波長，對表面粗糙度等特征不敏感，適合于工程構件現場檢測。此外，臨界折射縱波傳播速度對殘余應力敏感，其有效性在鋁合金、鋼等多種材料中得到驗證，但表征結果十分依賴于傳播聲時的測量精度，對聲時計算方法和校準要求較高。對臨界折射縱波聲衰減而言，由于避免了聲時測量的苛刻要求，只需臨界折射縱波幅值信息即可實現，操作便利性和可靠性大大增強。目前，基于臨界折射縱波聲衰減的金屬材料構件早期力學損傷評價尚未見報道。

因此，本發明提出一種評價材料早期力學損傷的超聲方法，基于臨界折射縱波能量衰減評價金屬材料早期力學損傷程度，并與常規脈沖回波法對比分析，提高聲衰減測量結果的穩定性，同時避免臨界折射縱波聲速表征中聲時測量的苛刻要求，提高操作便利性，適合于工程構件現場檢測，對于研究金屬材料早期損傷機理、發展構件早期損傷評價方法都具有重要意義。

參考文獻：

[1]Granato A.,Lucke K.Theory of mechanical damping due todislocations[J].Journal of Applied Physics,1956,27(6):583-593.

[2]Granato A.,Hikata A.,Lücke K.Recovery of damping and moduluschanges following plastic deformation[J].Acta Metallurgica,1958,6(7):470-480.