【摘要】傳統(tǒng)超聲無損檢測對金屬早期疲勞損傷難以預(yù)測，針對20#鋼材料的疲勞損傷問題，實驗制作了五個不同疲勞損傷程度的試件，使用非線性超聲檢測實驗系統(tǒng)測量了20#鋼疲勞試件的超聲非線性系數(shù)。實驗結(jié)果表明，隨著拉伸強度的逐漸增大，非線性系數(shù)也逐漸變大，超聲非線性系數(shù)和位錯密度隨拉伸強度的變化基本一致，表明超聲非線性特性與金屬中的位錯有關(guān)系，超聲非線性系數(shù)可以用來表征金屬材料內(nèi)部位錯的變化情況，從而預(yù)測金屬材料的疲勞壽命。

【關(guān)鍵詞】20#鋼;非線性超聲;疲勞損傷

1.引言

許多金屬零部件在使用過程中，由于長期承受載荷作用而產(chǎn)生力學性能退化，金屬內(nèi)部變化表現(xiàn)為位錯群的產(chǎn)生、增多，駐留滑移帶以及微裂紋的形成和發(fā)展，最后直到宏觀裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致斷裂失效。其中宏觀裂紋形成前的階段占整個壽命的80%-90%。因此，急需對早期金屬疲勞損傷程度進行可靠和準確的評價。

傳統(tǒng)超聲無損檢測技術(shù)利用波的時程、聲速、衰減和阻抗等信息對金屬進行缺陷檢測和評估，對金屬材料宏觀疲勞裂紋的檢測敏感;但是，這些信息對微裂紋/微缺陷和材料力學性能的缺陷不敏感。大量實驗研究表明，金屬材料的疲勞損傷與超聲波的非線性特性有關(guān)。本文采用20#鋼作為研究對象，利用Ritec-SNAP非線性超聲檢測系統(tǒng)，研究了不同疲勞程度的20#鋼非線性聲學特性。

2.非線性超聲基本理論

固體介質(zhì)具有非線性特征，如有限振幅聲波在固體中傳播時波形發(fā)生失真、畸變和高次諧波產(chǎn)生等非線性現(xiàn)象，這些非線性特征一般通過高階彈性常數(shù)來描述。單一頻率正弦超聲波在固體介質(zhì)中傳播時將與固體介質(zhì)間產(chǎn)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生高次諧波。

Cantrell，Breazeal等人建立了非線性超聲波動方程：

（1）

其中為介質(zhì)密度，為二階彈性常數(shù)，為三階彈性常數(shù)。用逐級近似微擾法可求得方程（1）的解為：

（2）

式中，ω為角頻率;x為傳播距離;t為時間;k為波數(shù)，且k=ω/c0;A1為基波幅值;A2為二次諧波幅值，且;β為超聲非線性

系數(shù)，且。

對于給定的超聲波頻率和傳播距離，通過測量基波和二次諧波幅值，通過公示計算材料的非線性系數(shù)。為了簡化，本文采用相對非線性系數(shù)來表示非線性系數(shù)的變化情況。

3.非線性超聲檢測實驗

3.1 試件

圖1 20#鋼試件實物圖

圖1為試件實物圖，材料采用20#鋼，試件厚度為5.5mm，表面經(jīng)過打磨拋光。共五個試件，所有試件均取自同一塊鋼板上。其中1號試件為未進行拉伸試驗的原始試件，2、3、4、5號試件分別按不同的疲勞載荷值進行拉伸試驗，加載速率為1mm/min。

3.2 非線性超聲實驗系統(tǒng)及測量方法

圖2為非線性超聲檢測實驗系統(tǒng)框圖。主要包括RAM—SNAP系統(tǒng)，匹配電阻、衰減器、濾波器、示波器、計算機以及被測試件和夾具。

圖2 非線性超聲檢測實驗系統(tǒng)框圖

RAM-SNAP系統(tǒng)輸出頻率為5MHz的正弦脈沖信號，然后經(jīng)過50Ω匹配電阻、6dB的固定衰減器和低通濾波器等模塊后加載到頻率為5MHz的探頭上，脈沖信號通過耦合劑垂直入射到待檢測試件中，反射后被5MHZ探頭接收。實驗采用水耦合，降低了耦合劑對實驗結(jié)果的影響。

4.實驗結(jié)果分析

4.1 驗證實驗的非線性

根據(jù)可知，基波信號與回波信號為線性關(guān)系，當基波信號衰減1 dB，回波信號衰減2dB。依次類推，將基波信號衰減逐漸增加1dB、2dB、4dB，進行7dB衰減，則回波信號隨著基波信號的變化依次衰減為2dB、4dB、8dB，共衰減14dB。圖3所示為相應(yīng)回波信號的衰減，可看出實測接收到的信號衰減程度與理論分析的衰減規(guī)律相符合，驗證了實驗中的回波信號均來自于待測試樣的非線性特性而不是由實驗儀器等的非線性特性產(chǎn)生的，進一步驗證了實驗的可靠性。

圖3 回波信號衰減

4.2 不同拉伸強度下的非線性系數(shù)

對五個20#疲勞試件進行測量，實驗測量結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著拉伸強度的逐漸增大，非線性系數(shù)也逐漸變大。非線性系數(shù)雖然很小但敏感度較高，實驗條件的微小改變都會對實驗結(jié)果造成很大影響。為了保證實驗的可重復(fù)性，實驗又進行了一次測量。從圖6測量的數(shù)據(jù)可以看出：在不同試件的相同位置上測得的非線性系數(shù)相對穩(wěn)定，且變化規(guī)律較為一致，重復(fù)性較好;不同試件的非線性系數(shù)存在明顯差異，說明非線性系數(shù)可以用來預(yù)測金屬材料的疲勞壽命。

圖4多次測量的非線性系數(shù)變化規(guī)律

5.總結(jié)

（1）研究發(fā)展了一套由RAM-SNAP系統(tǒng)等構(gòu)成的離線測量非線性超聲特性的實驗系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)測量了五個不同疲勞程度的20#鋼試件的超聲非線性系數(shù)，測量結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)與材料的疲勞壽命有一定的關(guān)系。

（2）多次測量了20#鋼疲勞試件的內(nèi)部位錯變化規(guī)律，兩次測量的超聲非線性系數(shù)變化近似一致，進一步驗證了實驗的可重復(fù)性，表明超聲非線性特性與金屬中的位錯有關(guān)系，超聲非線性系數(shù)可以用來表征金屬材料內(nèi)部位錯的變化情況，從而預(yù)測金屬材料的疲勞壽命。

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作者簡介：趙娜（1989—），山西太原人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于中北大學，主要研究方向：非線性超聲檢測技術(shù)。