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        殘余應(yīng)力對(duì)鋁薄板Lamb波非線性效應(yīng)的影響

        2019-10-31 01:10:34
        無損檢測 2019年10期
        關(guān)鍵詞:鋁合金超聲波裂紋

        (南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063)

        鋁合金板材由于自身的優(yōu)良性能,在工業(yè)領(lǐng)域用途廣泛,使用中常被加工為承壓構(gòu)件,而承壓構(gòu)件長期處于交變載荷的作用下,易產(chǎn)生疲勞類損傷。在疲勞產(chǎn)生的初期,金屬材料內(nèi)部主要組織形態(tài)是位錯(cuò), 隨著位錯(cuò)數(shù)量的增加,位錯(cuò)會(huì)累積形成駐留滑移帶;駐留滑移帶再逐漸增大后就形成了微裂紋,微裂紋不斷擴(kuò)展,最終形成宏觀裂紋[1]。宏觀裂紋產(chǎn)生后,材料內(nèi)部的應(yīng)力集中更加明顯,會(huì)加劇材料的斷裂失效。因此,若能在金屬疲勞的初期,即微裂紋的萌生初期對(duì)材料內(nèi)部的微小損傷進(jìn)行檢測,對(duì)構(gòu)件使用壽命做出評(píng)價(jià),進(jìn)而采取后續(xù)處理措施,將大大降低工業(yè)生產(chǎn)中的事故率。

        超聲波在薄板結(jié)構(gòu)中常以Lamb波的形式存在,當(dāng)板材的厚度和所激勵(lì)的超聲波波長數(shù)量級(jí)相同時(shí),縱波和橫波會(huì)在薄板材中合成出一種特殊的應(yīng)力波[2],即Lamb波。造成超聲波衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收[3]。然而金屬處于疲勞初期時(shí),其內(nèi)部產(chǎn)生的微小缺陷不能引起材料彈性模量的明顯改變,常規(guī)的線性Lamb波穿過微小缺陷時(shí),模態(tài)不發(fā)生轉(zhuǎn)換,幅值變化不明顯,微小缺陷也就不能有效檢出。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲信號(hào)中的頻域信息被進(jìn)一步地開發(fā)利用,非線性超聲技術(shù)作為無損檢測領(lǐng)域的新技術(shù),逐漸被應(yīng)用到材料的微小缺陷檢測中。BERMES[4]對(duì)比研究了6061鋁板和1100鋁板材料的非線性,驗(yàn)證了非線性Lamb波應(yīng)用于材料微小缺陷檢測中的可行性。鄧明析[5]對(duì)各向同性板材中的二次諧波的產(chǎn)生進(jìn)行了研究,并在固體板材中使用Lamb波進(jìn)行了損傷評(píng)價(jià)。JIAO等[6]等利用非線性Lamb波混頻技術(shù),得出了非線性系數(shù)與裂紋長度成正比的結(jié)論。HYUNG等[7]用非線性超聲調(diào)制方法對(duì)3 mm厚的鋁合金板上26 mm長,15 μm寬的疲勞裂紋進(jìn)行了檢測。高桂麗等[8]的研究表明高次諧波可作為表征疲勞裂紋或缺陷的特征量,根據(jù)不同點(diǎn)的掃描結(jié)果可大致確定疲勞裂紋的位置。

        然而試驗(yàn)中影響Lamb波非線性系數(shù)的因素有很多,主要分為兩個(gè)部分,其一是系統(tǒng)引入的非線性效應(yīng),而通過控制試驗(yàn)條件將所用儀器設(shè)備參數(shù)設(shè)為一致,可排除其對(duì)非線性效應(yīng)的影響[9];其二為材料自身微小缺陷以及材料內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的非線性效應(yīng)。殘余應(yīng)力是材料內(nèi)部不均勻塑性變形引起的自身保持平衡的彈性應(yīng)力[10],如何區(qū)分微小缺陷引起的非線性效應(yīng)和殘余應(yīng)力引起的非線性效應(yīng)是目前研究的難點(diǎn)。筆者通過對(duì)比試驗(yàn)的方法探究了殘余應(yīng)力對(duì)Lamb波非線性效應(yīng)的影響,得到殘余應(yīng)力對(duì)Lamb波非線性效應(yīng)的影響趨勢(shì),可為鋁合金板材的檢測提供更多參考依據(jù),使無損檢測技術(shù)在材料的壽命評(píng)價(jià)上更加成熟。

        1 超聲非線性效應(yīng)理論

        非線性超聲檢測是在有限振幅激勵(lì)下,超聲波能量較高時(shí),超聲波與構(gòu)件中如微裂紋、孔隙等微小缺陷相互作用后,會(huì)產(chǎn)生非線性的諧波分量,其本質(zhì)上反映的是微小缺陷對(duì)材料非線性的影響,檢測的特征參數(shù)并不受限于缺陷和損傷的大小[11]。非線性超聲檢測法就是發(fā)射一個(gè)高能量的單一頻率超聲波,通過超聲波與構(gòu)件材料的相互作用,檢測接收回波中是否存在諧波分量以及諧波能量的大小,來判定是否存在微小缺陷以及判斷缺陷的尺寸。

        筆者通過有限振幅法激發(fā)材料的非線性效應(yīng)來反映材料的疲勞程度,選用二階相對(duì)非線性系數(shù)來表征有限振幅聲波非線性產(chǎn)生的程度[12],其表達(dá)式如式(1)所示。

        (1)

        式中:A1為基頻Lamb波幅值;A2為二倍頻Lamb波幅值。

        縱波的非線性規(guī)律同樣適用于Lamb波,當(dāng)Lamb波基頻相速度與二次諧波相速度一致時(shí),材料中所激發(fā)出來的Lamb波的非線性效應(yīng)最好[13]。

        2 試樣設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)選用厚度為3 mm的6061鋁合金薄板,其密度為2 700 kg·m3,彈性模量E為75.6 GPa,泊松比ν為0.33。常溫下,6061鋁合金的彈性極限在330 MPa左右,抗拉極限在390 MPa左右。

        由于超聲波傳播時(shí)存在一定的擴(kuò)散角,為避免接收到側(cè)壁邊沿反射回來的超聲波,試樣寬度設(shè)置為75 mm。試樣的尺寸(長×厚)為300 mm×3 mm。試樣的加工尺寸如圖1所示。

        圖1 試件加工尺寸

        微裂紋的預(yù)制方法為:首先在試樣表面利用電火花打一個(gè)尺寸(長×寬×深)為25 mm×0.2 mm×0.2 mm的凹槽,以利于試樣兩端受到拉伸時(shí)凹槽處的應(yīng)力更加集中。采用最大載荷為500 kN的Instron壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī),對(duì)上述板狀試樣進(jìn)行室溫狀態(tài)下的拉伸疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用應(yīng)力控制的模式,最大力設(shè)置為30 kN,應(yīng)力比為0.1,加載波形為正弦波,頻率固定為14 Hz。

        在此疲勞條件下,該規(guī)格試樣總的疲勞壽命為5.2萬次,設(shè)計(jì)8塊疲勞程度不同的試樣,編號(hào)依次為1號(hào)至8號(hào),每塊試樣遞增6500次循環(huán)。8塊試樣的累計(jì)疲勞次數(shù)如表1所示。

        表1 試樣累計(jì)疲勞次數(shù)

        3 試驗(yàn)研究

        3.1 模態(tài)選擇和探頭制作

        圖2 鋁合金板Lamb波相速度頻散曲線和 群速度頻散曲線

        鋁合金板Lamb波的頻散曲線如圖2所示。根據(jù)3 mm厚鋁板的Lamb波頻散曲線,選擇S1模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。該模態(tài)相對(duì)易于激發(fā),符合相速度匹配要求,非線性激發(fā)效率高,且由于群速度快,能夠很好地從其他Lamb波模態(tài)中篩選出該模態(tài)。為減小探頭阻尼塊引入的非線性效應(yīng),試驗(yàn)采用自制探頭進(jìn)行Lamb波非線性系數(shù)的測量。

        Lamb波的激勵(lì)方法為縱波斜入射,自制發(fā)射探頭晶片選用頻率為1.25 MHz,直徑為20 mm的PT(鈦酸鉛)晶片,接收探頭選用頻率為2.5 MHz,直徑為20 mm的PT晶片,斜楔材料為有機(jī)玻璃。根據(jù)試樣板厚和所選的Lamb波模態(tài)及激勵(lì)晶片頻率,在相速度頻散曲線上可讀取到,頻厚積為3.75 MHz·mm時(shí),S1模態(tài)對(duì)應(yīng)的相速度Cp為6 230 m·s-1,有機(jī)玻璃中縱波的速度Cs為2 700 m·s-1,利用公式θ=arcsin(Cs/Cp)計(jì)算得到有機(jī)玻璃斜楔的角度θ為25.7°。

        3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

        設(shè)備主要采用美國 Ritec公司生產(chǎn)的 Ritec-SNAP-5000非線性超聲測量系統(tǒng)。試驗(yàn)采用一發(fā)一收的方式進(jìn)行,發(fā)射探頭中心頻率為1.25 MHz,接收探頭中心頻率為2.5 MHz,探頭通過醫(yī)用耦合劑耦合放置在厚度為3 mm的鋁合金試件薄板上。試驗(yàn)過程中,通過示波器觀察波形,調(diào)節(jié)儀器參數(shù)。試驗(yàn)時(shí),RAM-5000-SNAP發(fā)射一個(gè)1.25 MHz的高能單頻脈沖信號(hào)到達(dá)發(fā)射晶片激勵(lì)出超聲波,再通過斜楔在鋁合金板上形成主模態(tài)為S1的Lamb波;接收部分分為兩個(gè)通道,通道Ch1為基頻波,信號(hào)從接收探頭經(jīng)過可調(diào)衰減器返回儀器內(nèi)部,通道Ch2接收二次諧波,探頭接收到信號(hào)后經(jīng)過2.5 MHz 帶通濾波,儀器內(nèi)部再對(duì)接收到的兩個(gè)通道信號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換,最后將頻域信息通過繪圖顯示出來。其測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

        圖3 Lamb波非線性系數(shù)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        搭建系統(tǒng)后,先對(duì)一塊未加工凹槽的試樣進(jìn)行測試,探頭置于鋁板中心線的位置。調(diào)節(jié)上位機(jī)控制面板上的參數(shù),測試條件為:激發(fā)頻率為1.25 MHz,考慮到要減小Lamb波的頻散現(xiàn)象,周期數(shù)選為15,積分率為1 100,電壓為50 V,加漢寧窗調(diào)試[14],一通道衰減19 dB,二通道增益28 dB。計(jì)算相對(duì)非線性系數(shù)時(shí),記錄一通道基波1.25 MHz附近處對(duì)應(yīng)的最高幅值,記為A1;記錄二通道二次諧波2.5 MHz處附近對(duì)應(yīng)的幅值,記為A2,最后計(jì)算相對(duì)非線性系數(shù)β。

        3.3 Lamb波非線性系數(shù)測試及應(yīng)力測試結(jié)果

        測試現(xiàn)場如圖4所示,對(duì)制作的疲勞程度不同的8塊試樣,依次進(jìn)行Lamb波非線性系數(shù)的測量,記錄得到的Lamb波相對(duì)非線性系數(shù)β,然后在試塊無凹槽面幾何中心點(diǎn)用Stress 3000型X射線應(yīng)力分析儀進(jìn)行應(yīng)力測試,記錄未去應(yīng)力時(shí)凹槽處的殘余應(yīng)力值σ。測量完畢后,對(duì)8塊試樣進(jìn)行熱處理,熱處理?xiàng)l件為:使用去應(yīng)力時(shí)效設(shè)備(箱式電阻爐YTH-5-12),在溫度(200±5) ℃下,保溫6 h,取出空冷[15]。熱處理完畢后,重復(fù)之前操作,記錄得到去應(yīng)力后的Lamb波相對(duì)非線性系數(shù)β′和殘余應(yīng)力σ′。未去應(yīng)力及去應(yīng)力后的Lamb波非線性系數(shù)和基波幅值如表2所示,殘余應(yīng)力值如表3所示。

        表2 未去應(yīng)力及去應(yīng)力后的Lamb波 非線性系數(shù)和基波幅值

        圖4 Lamb波非線性系數(shù)測試現(xiàn)場

        MPa

        由表2中數(shù)據(jù)可看出,在鋁合金薄板試樣的整個(gè)疲勞微裂紋擴(kuò)展過程中,試樣未去應(yīng)力與去應(yīng)力時(shí)的Lamb波非線性系數(shù)都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),但殘余應(yīng)力大小與試樣疲勞程度沒有單調(diào)關(guān)系,去應(yīng)力前試樣中殘余應(yīng)力的平均值為51.8 MPa,去應(yīng)力后試樣中殘余應(yīng)力的平均值為18.0 MPa,平均減小量為33.8 MPa。

        圖5 去應(yīng)力前后Lamb波基波幅值和非線性系數(shù)曲線

        將表2中數(shù)據(jù)繪成曲線,如圖5所示,可得到試樣在整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程中,Lamb波非線性系數(shù)的變化趨勢(shì),對(duì)比未去應(yīng)力和去應(yīng)力后的兩條曲線可發(fā)現(xiàn):

        (1) Lamb波相對(duì)非線性系數(shù)隨試樣疲勞程度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),在前5塊試樣中依次增大,5號(hào)試樣達(dá)到最大值,隨著疲勞程度的增加而減小。在整個(gè)循環(huán)試驗(yàn)過程中Lamb波基波幅值變化不大,直到7號(hào)試樣才略微下降。

        (2) 前6塊試樣中,當(dāng)試樣中有殘余應(yīng)力時(shí),其Lamb波相對(duì)非線性系數(shù)均大于試樣去應(yīng)力處理后的Lamb波相對(duì)非線性系數(shù),7號(hào)和8號(hào)試樣則相反,有殘余應(yīng)力時(shí)Lamb波相對(duì)非線性系數(shù)小于去應(yīng)力處理后試樣的。

        (3) 對(duì)比兩條Lamb波非線性系數(shù)曲線的差值可看出,前4塊試樣的Lamb波相對(duì)非線性系數(shù)差值明顯大于后4塊的,殘余應(yīng)力對(duì)金屬疲勞前半程非線性效應(yīng)的影響明顯大于對(duì)后半程的。

        3.4 金相測試結(jié)果

        依次對(duì)8塊試樣進(jìn)行金相試驗(yàn),圖6為1~8號(hào)試樣的金相測試結(jié)果,圖6(a)~(h)依次對(duì)應(yīng)各試樣凹槽處剖面圖??梢钥闯觯?~3號(hào)試樣凹槽周圍還處在位錯(cuò)階段,還沒有出現(xiàn)微裂紋。隨著疲勞程度的增加,4~8號(hào)試樣凹槽處均產(chǎn)生了一條微裂紋,長度從28.3 μm擴(kuò)展至195.1 μm。圖6(i)為試樣失效時(shí)的金相圖,此時(shí)微裂紋已擴(kuò)展成為宏觀裂紋,長度為1194.7 μm,寬度為65.8 μm。

        圖6 試樣金相圖

        結(jié)合金相試驗(yàn)和Lamb波非線性測試結(jié)果可看出,金屬疲勞初期最先是以位錯(cuò)的形式存在的,引起材料非線性效應(yīng)的主要因素是位錯(cuò),當(dāng)對(duì)試樣進(jìn)行熱處理后,材料中殘余應(yīng)力被消除,試樣中的位錯(cuò)也隨之減少,因此導(dǎo)致去應(yīng)力后材料的超聲非線性效應(yīng)減小。當(dāng)疲勞程度加深后,材料中引起非線性效應(yīng)的主要因素變?yōu)榱宋⒘鸭y,熱處理并不能消除材料中已經(jīng)產(chǎn)生的微裂紋,所以,此時(shí)殘余應(yīng)力對(duì)材料超聲非線性效應(yīng)的影響明顯減小。

        4 結(jié)論

        在金屬疲勞失效的整個(gè)過程中,材料所激發(fā)的Lamb波非線性效應(yīng)隨著疲勞程度的加深,呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。疲勞過程中,材料中的殘余應(yīng)力在46.4 MPa~58.5 MPa之間,其對(duì)Lamb波的非線性效應(yīng)也有一定的影響,在金屬疲勞初期達(dá)到疲勞總壽命的62.5%之前,非線性效應(yīng)主要由位錯(cuò)產(chǎn)生,殘余應(yīng)力的存在會(huì)增大材料的超聲非線性效應(yīng);達(dá)到疲勞總壽命的62.5%之后,材料的非線性效應(yīng)主要由微裂紋引起,此時(shí)殘余應(yīng)力對(duì)材料超聲非線性效應(yīng)影響不大。因此,在金屬材料出現(xiàn)疲勞的初期進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜?yīng)力處理,可一定程度上延長材料的使用壽命。

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