張志輝，李 峰

（1.鄭州騰飛建設(shè)工程集團有限公司集團技術(shù)部，河南 鄭州 450047；2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 451460）

根據(jù)金屬構(gòu)件在各階段的使用性能變化情況，可以將其壽命周期分成初期性能退化、中期損傷積累以及最后的斷裂失效共3 個階段［1-2］。當結(jié)構(gòu)鋼受到拉伸、交變應(yīng)力的綜合作用以及外部因素的影響后，會引起服役過程發(fā)生塑性損傷以及產(chǎn)生微裂紋缺陷情況［3-4］。

進行塑性損傷測試時，文獻［5-6］以非線性Lamb 波的方法對Q345-T6 與1100-H14 結(jié)構(gòu)鋼薄板發(fā)生塑性損傷情況進行測試，結(jié)果顯示可以利用累積二次諧波評估材料結(jié)構(gòu)損傷程度。文獻［7］通過非線性縱波測試AZ31鎂結(jié)構(gòu)鋼受拉伸時塑性損傷，結(jié)果顯示當塑性損傷程度提高后，聲學(xué)非線性參數(shù)（ANP）發(fā)生了單調(diào)上升的趨勢。文獻［8］通過非線性超聲方法評價SS41 鋼性能退化，結(jié)果顯示縱波非線性系數(shù)表現(xiàn)為與應(yīng)力大小等比變化的規(guī)律。文獻［9］通過激光表面波的方法測定變形2024-T4結(jié)構(gòu)鋼的非線性系數(shù)。文獻［10］以非線性電磁超聲的方式綜合評價了結(jié)構(gòu)鋼的拉伸變形情況，表明根據(jù)電磁超聲縱波方式與非線性方法評價塑性拉伸載荷的變形程度能夠滿足要求。

電磁超聲檢測不需要使用耦合劑，可以適應(yīng)多種材料表面以及良好的重復(fù)性，能夠滿足對金屬材料進行非線性超聲檢測的要求［11-13］。本文分析了表面波引起的結(jié)構(gòu)鋼非線性塑性響應(yīng)性能，構(gòu)建得到應(yīng)力應(yīng)變、塑性損傷與超聲非線性系數(shù)的相互作用關(guān)系，實現(xiàn)對材料力學(xué)特性與使用壽命進行評估的過程。通過CMT-5205 微機實現(xiàn)電子萬能拉伸機對其實施非線性電磁超聲測試。

1 電磁超聲檢測原理

利用電磁超聲換能器（EMAT）激發(fā)得到超聲波，當其作用于不同應(yīng)變的塑性區(qū)時，將會引起材料內(nèi)部組織發(fā)生非線性應(yīng)變，從而造成非線性畸變的結(jié)果，形成了包含二次諧波的高次諧波［14-15］。

塑性損傷是材料發(fā)生硬化時產(chǎn)生的不可逆變形，同時因為位錯結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特征受到周圍區(qū)域的直接影響，從而導(dǎo)致局部區(qū)域發(fā)生非線性應(yīng)力應(yīng)變情況，因此超聲應(yīng)力波在該區(qū)域出現(xiàn)較大的非線性擾動，導(dǎo)致高次諧波的產(chǎn)生。

固體介質(zhì)非線性應(yīng)力應(yīng)變表達式為

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量；β、γ分別為二次、三次諧波幅值。

在表面波中包含了非均勻縱波和橫波兩個部分，可以將位移分量分解為縱向與剪切方向的2 個分量。3 階彈性常數(shù)具有對稱性的特點，從而在各向同性材料中不會表現(xiàn)出剪切波的聲學(xué)非線性，使得縱波分量成為表面波中聲學(xué)非線性的一個重要影響因素。

2 實驗方案

室溫狀態(tài)下，根據(jù)GB/T 228.1—2010對建筑用10 mm 厚的Q345鋼加工得到拉伸試樣。試樣各尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 拉伸試件尺寸Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen size

通過CMT-5205 微機實現(xiàn)電子萬能拉伸機的運動控制，完成試件的準靜態(tài)力學(xué)性能表征，為達到準靜態(tài)加載的效果，設(shè)定加載速率2.0 mm/min。為控制試件中間區(qū)域形成應(yīng)力集中并發(fā)生塑性損傷，為中部區(qū)域設(shè)置了一對長度3 mm 與寬度0.2 mm 的開口。通過離線測試的方法，將加載到不同應(yīng)變程度的標準試件進行卸載后，再對其實施非線性電磁超聲測試。

非線性電磁超聲測試系統(tǒng)由激發(fā)端EMAT、Ritec-SNAP-5000、接收端PZT、放大器、示波器、阻抗匹配電路、濾波器、被測部件共同組成，具體如圖2 所示。設(shè)定激發(fā)線圈的頻率為1.6 MHz，磁鐵的剩余磁通密度為1.2 T［16］。

圖2 超聲檢測系統(tǒng)Fig.2 Ultrasonic testing system

經(jīng)過測試拉伸載荷80 kN 后試件拉斷斷裂，形成的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。本試驗研究2個變化參數(shù)——拉伸載荷和加載速率。考慮到本文用的材料Q345鋼主要用于汽車輕量化領(lǐng)域。實際情況，變化參數(shù)取值范圍為拉伸載荷20～80 kN，加載速率為1～3。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve

為避免受到重疊效應(yīng)的影響，控制激發(fā)信號中心頻率為1.6 MHz，同時包含了5 個周期的漢寧窗函數(shù)tone-burst 信號，得到如圖4 所示的激勵電流波形。

圖4 激勵電流信號波形Fig.4 Exciting current signal waveform

當材料受到拉伸載荷作用后會產(chǎn)生非線性應(yīng)力應(yīng)變情況，試件趨膚層受到EMAT 激發(fā)作用后形成表面波并傳播到被測鋁板處，超聲波和材料作用后形成非線性畸變，同構(gòu)接收端表面波PZT探頭探測超聲波畸變信號，并分析引起畸變的各作用因素。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 拉伸載荷結(jié)果

不同拉伸載荷試件應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。由表1 可知，隨著拉伸載荷的增加，應(yīng)力表現(xiàn)出先增加后減小的變化，最大值發(fā)生在拉伸載荷60 kN處。

表1 不同拉伸載荷試件的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計Tab.1 Statistics of stress and strain results of specimens under different tensile loads

選擇塑性損傷程度不同的試件作為樣本，將各試件設(shè)置在同樣的檢測位置，每個試樣分別測試3次，同時記錄二次諧波的幅值。處理接收端獲取的信號，采集除主沖擊波以外的第一個波形信號進行頻譜分析，從中提取出基波幅值和二次諧波幅值，之后計算得到非線性系數(shù)。

令二次諧波幅值為

式中：A1為基波幅值；A2為二次諧波幅值；k為波數(shù)；β為非線性系數(shù)。

對采獲得的時域波包數(shù)據(jù)實施頻域轉(zhuǎn)換。為便于觀測頻域波形，采用歸一化方法處理基波幅值得到歸一化頻譜幅值如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，拉伸載荷小于60 kN 時，形成了更大幅度的二次諧波；拉伸載荷大于60 kN 后試件發(fā)生了二次諧波幅的顯著減小，表明二次諧波幅能夠放映出來試件塑性損傷程度。

圖5 歸一化頻譜幅值Fig.5 Normalized spectral amplitude

對實驗結(jié)果開展深入分析，重點分析了二次諧波的幅值改變情況，研究非線性系數(shù)和塑性損傷程度關(guān)系，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 不同拉伸載荷試件的二次諧波幅值和非線性系數(shù)分布Tab.2 Second harmonic amplitude and nonlinear coefficient distribution under different tensile loads

3.2 加載速率結(jié)果

不同加載速率試件應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。由表3 可知：隨著加載速率的增加，應(yīng)力表現(xiàn)出先增加后減小的變化，最大值發(fā)生在加載速率2 mm/min處。

表3 不同加載速率試件的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計Tab.3 Statistics of stress and strain results of specimens under different tensile loads

不同拉伸載荷試件的二次諧波幅值和非線性系數(shù)分布如表4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，加載速率小于2 mm/min 時，形成了更大幅度的二次諧波；加載速率大于2 mm/min 后，試件發(fā)生了二次諧波幅的顯著減小。

表4 不同加載速率試件的二次諧波幅值和非線性系數(shù)分布Tab.4 Second harmonic amplitude and nonlinear coefficient distribution under different tensile loads

3.3 結(jié)果分析

分析表2、表4 中二次諧波幅值結(jié)果可知：當在試件中設(shè)置不同應(yīng)變程度的塑性損傷后，都形成了比未塑性損傷試件更大的二次諧波變化幅度，這是因為試件發(fā)生塑性損傷時，超聲波傳播時會形成高次諧波。提高塑性損傷程度后，材料受到超聲波后發(fā)生了更明顯的非線性應(yīng)力應(yīng)變，引起更明顯的超聲波畸變。拉伸載荷80 kN試件容易在拉伸中部產(chǎn)生明顯頸縮情況，由頸縮切面空隙構(gòu)成了不連續(xù)分布的微裂紋區(qū)，導(dǎo)致二次諧波幅值發(fā)生了快速減小。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)變達到7%以下試件塑性損傷程度提高后，形成了更大幅度的二次諧波，應(yīng)變達到7%以上試件發(fā)生了二次諧波幅的顯著減小。

（2）試件不同應(yīng)變程度的塑性損傷后，形成了比未塑性損傷試件更大的二次諧波變化幅度。提高塑性損傷程度后，材料受到超聲波后發(fā)生了非線性應(yīng)力應(yīng)變，引起更明顯的超聲波畸變。應(yīng)變達到7%以上時，材料發(fā)生了頸縮，結(jié)構(gòu)鋼試件應(yīng)力也發(fā)生了減小。