金大明

摘 要：其實(shí)材料性能的退化是一種非線性的力學(xué)過程，其內(nèi)部可以產(chǎn)生超聲波傳播，所以也就產(chǎn)生了高頻諧波。這其實(shí)也就給我們提供了一種可行的材料檢測(cè)技術(shù)，那就是材料結(jié)構(gòu)超聲無損檢測(cè)技術(shù)。本文首先針對(duì)現(xiàn)有的超聲無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，之后對(duì)未來一段時(shí)間的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，希望可以給相關(guān)工作的開展提供一系參考。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)性能；超聲；無損檢測(cè)

正常來說，在機(jī)械設(shè)備使用的過程中，其元件往往需要承受外界的載荷，在其作用下， 元件的壽命大多可以分為早期退化、化學(xué)老化以及損傷積累階段，在此階段材料會(huì)出現(xiàn)開裂，最后經(jīng)過斷裂就會(huì)直接失效。但其實(shí)人們已經(jīng)對(duì)于損傷階段起始階段和積累階段已經(jīng)有了一定程度的研究，但人們對(duì)于長期環(huán)境影響下出現(xiàn)的情況卻仍然缺乏一個(gè)了解。如果材料結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量過關(guān)，其應(yīng)該在性能退化階段停留很久，大約可能會(huì)占到整個(gè)材料使用壽命的4/5，所以這樣看來，針對(duì)結(jié)構(gòu)早期退化階段的力學(xué)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)也是十分重要的。通過無損檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)不會(huì)影響到目標(biāo)的物理化學(xué)性能，通過無損檢測(cè)可以明確了解材料此時(shí)的狀態(tài)、使用壽命等系數(shù)，其中超聲無損檢測(cè)是其中非常重要的一個(gè)類型。

一、超聲無損技術(shù)概述

正常來說，超聲技術(shù)應(yīng)用的方式是非常多樣的，不僅包括拉伸和沖擊以及高溫蠕變，但是我們已經(jīng)知道，所有材料構(gòu)件失效的原因，絕大多數(shù)都是材料的疲勞，如果讓其進(jìn)入材料疲勞符合的話就會(huì)直接影響其力學(xué)性能和使用壽命。

在相關(guān)研究中證實(shí)AA2024-T4鋁合金試件于10Hz頻率下通過加壓荷載進(jìn)行循環(huán)疲勞試驗(yàn)，然后利用顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行觀察，可以明顯發(fā)現(xiàn)通過上述實(shí)驗(yàn)處理造成了材料表面出現(xiàn)微裂紋，但以宏觀角度去對(duì)材料進(jìn)行審視并無法清晰地將材料性能變化反映出來。從非線性實(shí)驗(yàn)來看非線性系數(shù)與循環(huán)處理次數(shù)存在著明顯的關(guān)系，研究中發(fā)現(xiàn)通過非線性超聲實(shí)驗(yàn)得出在疲勞載荷的作用下，于宏觀微裂紋出現(xiàn)前，當(dāng)循環(huán)載荷次數(shù)逐漸上升時(shí)，材料的非線性系數(shù)也會(huì)隨之上升，但從線性聲學(xué)系數(shù)來看并不會(huì)出現(xiàn)太大變化。而通過利用非線性超聲實(shí)驗(yàn)可在材料原件出現(xiàn)宏觀可見微裂紋前便可捕捉到微結(jié)構(gòu)變化及力學(xué)性能蛻變情況，由此可準(zhǔn)確判別出材料失效過程，并可以此作為參考為材料維護(hù)提供支持。雖然非線性超聲實(shí)驗(yàn)可將材料的損耗情況及性能退化情況較為清晰地反映出來，但是實(shí)驗(yàn)手段并不多，涉及范圍較小，其體系還需要進(jìn)一步完善。

二、超聲無損檢測(cè)分析

通常情況下非線性超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中涵蓋了主機(jī)、低通濾波器、高能衰減器、示波器以及微型計(jì)算機(jī)等。在系統(tǒng)工作過程中主機(jī)會(huì)對(duì)正弦脈沖信號(hào)產(chǎn)生激發(fā)作用，然后由低通濾波器將高頻部分過濾，然后再通過高能衰減器將低頻部分過濾。經(jīng)過上述處理后可將其傳遞于發(fā)射換能器并通過轉(zhuǎn)換作用將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡?。超聲波透過試件后再由接收轉(zhuǎn)換器重新轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最終由非線性系統(tǒng)接收。另一方面主機(jī)與示波器相連接并以其作為輸出設(shè)備，主機(jī)與計(jì)算機(jī)連接并可通過計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試參數(shù)及控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效接收及處理。在實(shí)際檢測(cè)過程中超聲無損檢測(cè)對(duì)象事實(shí)上是電信號(hào)，常用的換能器是壓電式換能器，在壓電效應(yīng)的作用下可實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)然換能器在應(yīng)用時(shí)其自身也會(huì)消耗部分功率。壓電探頭主要以接觸式與液浸式最為常見，其中液浸式需要液體環(huán)境支持才可有效接收信號(hào)，該方式并不會(huì)與試件直接接觸；接觸式探頭可直接置于試件表面來采集信號(hào)。在整個(gè)檢測(cè)過程中超聲頻率對(duì)其探測(cè)能力具有絕對(duì)性的影響。頻率上升則波長下降，此時(shí)得到的聲束收窄并可保持集中方式，對(duì)于小缺陷的探知能力將大幅度提升，但高頻超聲波在材料中會(huì)產(chǎn)生較為明顯的衰減作用，其穿透能力有限；而低頻超聲波由于其頻率低，波長較長，因此會(huì)得到較寬的聲束帶使得能量無法集中，因此無法對(duì)材料缺陷進(jìn)行有效發(fā)掘，但它在材料中衰減程度較小，因此具備了較強(qiáng)的穿透力?；谏鲜鲈硪话阍诩?xì)小顆粒材料檢測(cè)時(shí)會(huì)將頻率設(shè)定為2.5～5MHz，而對(duì)于粗大顆粒材料或散射能力較強(qiáng)的材料這采用0.5～1MHz頻率進(jìn)行檢測(cè)。

激勵(lì)波形選擇也是檢測(cè)過程中較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，可選用單頻連續(xù)正弦波作為信號(hào)源，但這種信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)軸向分辨能力并不理想，在定位缺陷判定中效果也不佳；而單脈沖正弦波則可獲取高幅度的激勵(lì)波形，因此具備了較高水平的軸向分辨力，但在接收端并不能充分地對(duì)信號(hào)成分來源進(jìn)行判斷且超聲波時(shí)間較短，因此無法精確地作出超聲非線性響應(yīng)，這使其作用受到了極大的限制。在測(cè)試信號(hào)處理過程中主要流程如下：示波器經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后得到時(shí)域波形，再通過FFT變換作用得到頻域波形，讀取幅值后便可得到基波幅值以及倍波幅值，通過計(jì)算獲取相應(yīng)的非線性系數(shù)。對(duì)于材料力學(xué)性能退化超聲無損檢測(cè)而言若要使其有效實(shí)現(xiàn)則必然要構(gòu)建出行之有效的理論模型，并建立相關(guān)的定量關(guān)系，如今此項(xiàng)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，通過將材料微觀結(jié)構(gòu)來反映出超聲特性與材料宏觀力學(xué)性能的聯(lián)系。當(dāng)然目前以超聲無損技術(shù)對(duì)材料力學(xué)性能退化進(jìn)行測(cè)定僅限于金屬材料，其體系還有待完善。

三、總結(jié)和展望

其實(shí)結(jié)合前文所談，使用超聲波傳播非線性特性來對(duì)材料進(jìn)行無損檢測(cè)和評(píng)價(jià)，和舊有的絕線性超聲方法相比起來，超聲傳播非線性檢測(cè)方法可以讓很多問題得到解決，舉例來說可以預(yù)測(cè)構(gòu)件的機(jī)械性能以及使用壽命等等，所以我們應(yīng)該采取有效的技術(shù)手段，進(jìn)一步探討其作為一種材料檢測(cè)技術(shù)的可行性，但目前來看其在以下幾個(gè)方面仍然有待于完善。

（1）其實(shí)總體上來看，在非線性超聲領(lǐng)域，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)手段還是比較貧乏的，我們所能選用的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)器材也沒有一個(gè)較為寬廣的范圍，仍然是集中于幾種主要金屬材料之上，所以仍然沒有廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，適用范圍廣泛的規(guī)律也沒有找到，所以在維拉一段時(shí)間內(nèi)，我們也應(yīng)該積極開展實(shí)驗(yàn)，還要涉及到多種非金屬材料之中。

（2）對(duì)于微觀的物理模型來說，現(xiàn)在對(duì)于相關(guān)理論模型的討論還仍然非常罕見，并且也局限于非晶體模型當(dāng)中。所以我們應(yīng)該對(duì)于圍觀物理模型建立上提高重視程度，積極采用其他微觀物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，這樣才能保證其結(jié)構(gòu)的真實(shí)性和可參考性。

（3）對(duì)于數(shù)學(xué)分析這項(xiàng)內(nèi)容來說，現(xiàn)在仍然還要處理一維縱波的情況，但我們也應(yīng)該對(duì)二維和三維以及橫波等情況加以討論。

（4）對(duì)于粘接面的超聲檢測(cè)來說，現(xiàn)在其所使用的物理量仍然缺乏統(tǒng)一性，并且在微觀的機(jī)理方面仍然缺乏統(tǒng)一，這就需要我們進(jìn)一步完善所使用的物理模型和數(shù)學(xué)模型。

總而言之，如果我們想要超聲波非線性無損檢測(cè)技術(shù)真正應(yīng)用到實(shí)際工作當(dāng)中，我們不僅需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，并且還應(yīng)該討論材料維管組織結(jié)構(gòu)和超聲波非線性行為以及材料本身的力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行探討，積極進(jìn)行定量，創(chuàng)建一個(gè)模型，這樣才能開發(fā)一套真正可行的技術(shù)手段，不斷提高材料的使用壽命，給相關(guān)維護(hù)工作的開展提供一些可靠的指導(dǎo)。

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