趙思琦,裴翠祥,肖　盼,陳振茂

(西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測和結構完整性評價工程技術研究中心，西安 710049)

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基于表面波的塑性變形電磁超聲定量無損檢測

趙思琦,裴翠祥,肖盼,陳振茂

(西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測和結構完整性評價工程技術研究中心，西安 710049)

電磁超聲具有非接觸、易于激發(fā)和接收表面波等優(yōu)點，探討了基于表面波的金屬材料塑性變形電磁超聲無損檢測及定量方法。首先，建立了電磁超聲有限元數值計算模型，開展了電磁超聲表面波探頭的優(yōu)化設計，并在此基礎上搭建了基于電磁超聲表面波檢測的塑性變形檢測試驗系統(tǒng)；其次，采用具有不同塑性變形的單軸和雙軸拉伸不銹鋼試件，分析了塑性變形的大小和方向與表面波傳播速度之間的關系。最后，通過電磁超聲系統(tǒng)測量表面波在兩個正交方向的傳播速度，實現(xiàn)了對不銹鋼試件雙軸塑性變形的定量無損檢測。

無損檢測；電磁超聲；塑性變形；表面波

塑性變形的存在對材料的力學性能有重大影響，在焊接構件的制造和熱處理過程中尤為明顯。在工作溫度、工作介質及塑性變形的共同作用下，構件的抗疲勞強度、抗斷裂能力、抗應力腐蝕開裂及高溫蠕變開裂的能力都將大大下降，從而造成使用過程中的質量問題，甚至引發(fā)許多質量事故[1]。因此對塑性變形的定量無損檢測具有重要意義。

塑性變形的傳統(tǒng)檢測技術,如X射線衍射法、金相分析法等在檢測過程中會對結構造成一定的破壞，并且由于操作復雜、精度低等原因，其在實際工程中的應用受到了限制。與其他無損檢測方法相比，電磁超聲無損檢測由于具有非接觸性、靈活性、檢測速度快、檢測能力強大等突出優(yōu)點，目前已經廣泛應用于材料的無損評價和無損檢測領域中。

筆者研究了基于表面波的金屬材料電磁超聲塑性變形測量方法，建立了相應的電磁超聲有限元計算模型，進行了表面波探頭的優(yōu)化工作，搭建了塑性變形測量試驗系統(tǒng)，分析了具有不同塑性變形的單軸、雙軸拉伸不銹鋼試件中塑性變形的大小和方向與表面波傳播速度之間的關系，實現(xiàn)了對不銹鋼試件雙軸塑性變形的定量無損檢測。

1　測量方法及試驗系統(tǒng)

1.1塑性變形測量原理

根據聲彈性效應，可將在試件表面?zhèn)鞑サ谋砻娌úㄋ俸推矫鎽?應變場,由式(1)聯(lián)系起來[2-3]:

(1)

式中：v1和v2分別為在ε1和ε2的作用下表面波在x1和x2兩個方向上的傳播速度;v0為無應變情況下的表面波波速;K1和K2為由材料決定的應變-聲系數;ε1和ε2為均勻分布在材料表面的主應變(變形)場。

基于這一公式，就可通過測量兩個主應變方向上的表面波波速的變化量來實現(xiàn)對兩個主應變的估算。

圖1　塑性變形測量試驗系統(tǒng)

1.2試驗系統(tǒng)

圖1所示為基于電磁超聲表面波檢測的塑性變形測量試驗系統(tǒng)，其主要由RITEC RAM-5000 SNAP電磁超聲系統(tǒng)及相應的軟件、示波器、濾波器、檢測探頭及試件等構成。在試驗過程中由RAM-5000系統(tǒng)提供脈沖激勵電流，通入了脈沖電流的激勵探頭會在試件表面激發(fā)出表面波信號，這一信號由同樣布置在試件表面的檢出探頭接收，再經由濾波器濾波后通入到示波器中，從而實現(xiàn)表面波信號的檢測。

為了實現(xiàn)表面波的激勵與檢測，試驗過程中需要將如圖1(b)所示的兩個相同的表面波電磁超聲探頭相隔一定的距離放置在試件表面上。表面波電磁超聲探頭由方形銣鐵硼磁鐵以及如圖1(c)所示的回折型線圈構成。圖1(c)中的回折型線圈由線徑為0.2 mm的漆包線繞制，共9匝，線圈總長為42 mm，寬度為23 mm。

2　表面波電磁超聲探頭的數值模擬

2.1數值計算模型為簡化計算過程，在數值模擬過程中將實際的三維模型簡化為二維有限元計算模型。簡化模型的長度為120 mm，高度為25 mm。材料為鋁，密度ρ為2.7×103kg·m-3，彈性模量E為6.97×1010N·m-2，泊松比ν為0.33，電導率σ為3.45×107S·m-1。表面波電磁超聲探頭中的永磁鐵簡化為z方向的大小為0.5 T的均勻靜態(tài)磁場，激勵與檢出探頭中的回折型線圈如圖2所示，線圈長度L為40 mm，導線線徑為0.4 mm，導線間的間距D為0.4 mm，線圈的提離均為1.75 mm，兩個線圈間的距離為30 mm，通入線圈中的脈沖激勵電流幅值為1 A。

圖2　回折型線圈模型

2.2數值模擬結果

為了使模擬的表面波信號的幅值達到最大，通入激勵探頭中的脈沖電流的頻率需要經過計算來選取[4]。最佳激勵頻率f是如式(2)所示的表面波波速v和線圈中導線間距D的函數:

(2)

當導線間距D為0.4 mm時，通過計算得到最佳激勵頻率約為3.61 MHz。為了驗證最佳激勵頻率，分別選取低于和高于3.61 MHz的兩個激勵頻率。在通入這三種頻率的脈沖電流的情況下，距離激勵線圈30 mm處的表面質點在z方向的速度信號如圖3所示(旁邊小圖為局部放大圖)。比較模擬信號中的表面波部分，可發(fā)現(xiàn)在激勵頻率為3.61 MHz時，表面波有最大的幅值，從而驗證了最佳激勵頻率的正確性。

圖3　不同激勵頻率下的模擬表面波信號

3　試驗結果

3.1單軸拉伸試件的試驗結果如圖4所示，試驗中需要進行測量的單軸拉伸試件呈狗骨型。試件由304不銹鋼制成，密度ρ為8.03×103kg·m-3，彈性模量E為1.97×1011N·m-2，泊松比ν為0.33，電導率σ為1.1×106S·m-1。單軸試件的加載方向平行于試件的軋制方向，包括基準試件在內的8個試件具有從0%～15%的塑性變形(ε1)。

圖4　單軸拉伸試件實物圖

表面波在不銹鋼中的傳播速度為2 830.51 m·s-1，試驗過程中使用的回折型線圈的導線間距D為3 mm，利用公式(2)可得出最佳激勵頻率約為0.5 MHz。其中激勵與檢出探頭之間的距離保持為58 mm不變。表面波信號到達檢出位置的時間隨塑性變形的變化如圖5所示(旁邊小圖為局部放大圖)。從圖中可以看出，在兩個表面波探頭的相對距離保持不變的情況下，表面波信號到達檢出位置的時間將隨著塑性變形的增加而減小。即，在不銹鋼單軸拉伸試件中，表面波的傳播速度將隨著塑性變形的增加而增加。

圖5　單軸拉伸試件在不同塑性變形下的表面波信號

圖6　單軸拉伸塑性變形與表面波波速相對變化量之間的關系

將通過試驗獲得的數據進行線性擬合[5]，得到了如圖6所示的單軸拉伸塑性變形的幅值與表面波波速的相對變化量之間的線性關系。為了驗證試驗結果的一致性，進行了重復性試驗，從圖6中可以看出，兩次試驗結果的差值可忽略不計。根據式(1)，可以計算得到應變-聲系數K1為0.401。

圖7　雙軸拉伸試件實物圖

3.2雙軸拉伸試件的試驗結果

如圖7所示的雙軸拉伸試件呈十字形，試件材料與單軸拉伸試件相同，均為304不銹鋼。經過雙軸拉伸的4個試件中引入了1%～3.8%的塑性變形。雙軸拉伸試件的試驗采用與上節(jié)中單軸拉伸試件試驗相同的試驗裝置及試驗方法。然而由于加工工藝的限制，同一雙軸試件在兩個正交拉伸方向上的塑性變形不完全相同。因此，對于每一個試件都需要在兩個正交方向上分別進行表面波信號的測量。同時為了便于總結雙軸拉伸試件中塑性變形與表面波波速變化量之間的關系，在數據處理時還需要對兩個方向上的塑性變形及相應的表面波波速的變化量分別求取平均值。

利用與上節(jié)相同的數據處理方法，得到了雙軸拉伸試件中表面波波速的相對變化量與塑性變形之間的關系。如圖8所示，兩條擬合直線分別表示了單軸、雙軸拉伸試件中表面波波速的相對變化量與塑性變形的線性關系。由于雙軸拉伸試件中存在ε2的影響，可以發(fā)現(xiàn)圖8中的雙軸拉伸試件的線性關系線的斜率要比單軸拉伸試件的斜率大。結合上節(jié)中K1的計算結果，利用式(1)可以得到應變-聲系數K2=0.313。

圖8　表面波波速相對變化量隨單軸、雙軸塑性變形的變化規(guī)律

將在雙軸試件的兩個正交的拉伸方向上測量得到的表面波波速相對變化量,代入已經求得系數K1和K2的式(1)中，即可得到雙軸試件在兩個拉伸方向上塑性變形的計算值，表1分別給出了4個雙軸拉伸試件中塑性變形的實際值及計算值(右上角不帶撇的符號表示實際值，帶撇的符號表示計算值)。比較表1中數據可以發(fā)現(xiàn)，除1號試件以外，其他試件中計算得到的塑性變形和相對應的實際塑性變形之間的誤差處于可以接受的范圍內。而對于1號試件，由于試件的塑性變形較小，因此計算結果很容易被測量誤差影響，從而導致計算結果和實際的塑性變形之間存在較大誤差。

表1　雙軸拉伸試件的實際以及計算塑性變形

4　結語

提出了一種基于表面波的金屬材料塑性變形的電磁超聲無損檢測及定量方法，建立了電磁超聲有限元數值計算模型，開展了電磁超聲表面波探頭的優(yōu)化設計，搭建了基于電磁超聲表面波檢測的塑性變形檢測試驗系統(tǒng)。對具有不同塑性變形的單軸和雙軸拉伸不銹鋼試件進行了試驗測量，測量結果給出了塑性變形與表面波波速相對變化量之間清晰的線性關系?；谠囼灲Y果給出了塑性變形與表面波波速相對變化量之間的關系式，實現(xiàn)了對不銹鋼試件雙軸塑性變形的定量無損檢測。在下一步的工作中，將進一步優(yōu)化電磁超聲表面波探頭，獲取頻率更高的表面波，從而提高文中所用方法的精確度及分辨率。

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Plastic Strain Measurement with Electromagnetic Acoustic Testing Method Based on Surface Wave

ZHAO Si-qi, PEI Cui-xiang, XIAO Pan, CHEN Zhen-mao

(Shanxi Engineering Research Center of NDT and Structural Integrity Evaluation, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

Due to the non-contact feature and the ability of easily generating and detecting surfacewaves, in this work, electromagnetic acoustic transducers (EMATs) are studied for the nondestructive testing and evaluation of plastic strain in metal materials with using surface waves. Firstly, a numerical model based on finite element method (FEM) is established for EMAT simulation and optimization. And a surface-wave EMAT experimental system is constructed for plastic strain measurement. Secondly, the relationship between the magnitude and direction of the plastic strain and the velocity of the surface wave is studied by EMAT with using uniaxial and biaxial tensile stressing of stainless steel samples with various plastic strains. Finally, a quantitative NDT of biaxial plastic strain in stainless steels was realized with measuring the velocities of surface waves in two orthogonal directions by EMATs.

Nondestructive testing; EMAT; Plastic strain; Surface wave

2016-06-22

趙思琦(1993-)，女，碩士研究生，主要從事電磁無損檢測理論和試驗研究工作，E-mail: zhaosiqi@stu.xjtu.edu.cn。

陳振茂(1964-)，男，教授，E-mail: chenzm@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201610007

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0025-04