[发明专利]利用瑞雷波进行金属材料表面损伤的非线性超声评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用瑞雷波进行金属材料表面损伤的非线性超声评价方法。

背景技术

对机械设备和工程结构中的在役结构元件来说，在外载荷的作用(包括环境作用)下，其寿命一般可分为三个阶段：早期的力学性能退化(包括物理、化学的老化和退化)、损伤的起始与积累(微孔和微裂纹)以及最后的断裂失效。其中，损伤的起始与积累已在细观力学、损伤力学以及两者相结合的学科基础上进行了广泛地研究。现在也已有众多数据和大量模型来预测循环加载、环境影响下的裂纹扩展直至最后破坏。然而，人们对于性能退化及其对材料长期行为的影响却知之甚少。尽管由于多种载荷的相互作用以及环境因素的影响，这几个阶段的区分并不明确。但对于设计良好的结构元件来说，常是第一阶段(即早期力学性能退化)占据了整个寿命的大部分时间。例如，有研究表明：对承受循环载荷的金属结构材料来说，从内部位错群的大量产生到驻留滑移带的形成，再到驻留滑移带内微裂纹的成核、长大，直至宏观裂纹的形成，这一阶段占结构材料整个疲劳寿命的80-90％。因此，研究发展材料和结构早期力学性能退化的超声无损检测就显得十分重要。

超声无损检测技术作为现代工业产品制造和使用过程中不可缺的检测手段之一，在各个方面都有着广泛的应用。目前比较成熟的超声无损检测技术主要针对材料或结构的缺陷起始和积累阶段以及最终失效阶段，如探测材料中的微孔、微裂纹等缺陷的存在和分布。其中主要应用到波的时程、声速、衰减、阻抗、散射等信息。但是，这些参数对材料和结构早期力学性能的退化很不敏感。

近年来，非线性超声技术引起了人们的广泛重视。越来越多的研究表明，材料性能退化与超声波的非线性效应密切相关。比如对金属材料来说，在晶体承受疲劳、高温蠕变、高速冲击等加载过程中，以及在剪切带中和裂纹前缘，内部存在高度有序和高度非均匀的位错空间结构，称之为位错组态或位错花样。不同的材料和不同的力学过程会产生不同的位错组态。虽然这些位错组态对波的声速、衰减、阻抗以及散射等线性参数影响不明显，但由于这些位错组态的存在，将使其中传播的超声波波形产生畸变，导致单一频率的超声波中会有高频谐波的产生，即单一频率的超声波在具有非线性特性的介质或结构中传播时将产生二倍、三倍等整数倍频率的高阶谐波。因此通过对这些高频谐波的测量研究，找到其处于不同阶段的声学非线性系数，就可以了解材料内部微观位错组态的变化，从而对材料和结构的早期力学性能退化和损伤做出有效的无损检测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、使用方便的利用瑞雷波进行金属材料表面损伤的非线性超声评价方法；利用将铌酸锂晶片换能器粘接在有机玻璃斜楔上，然后利用耦合剂将有机玻璃斜楔粘贴于存在不同程度表面损伤的金属板状试件表面激发和接收瑞雷波。对接收得到瑞雷波信号进行多次平均的方法以提高瑞雷波信号的信噪比，并有效抑制测试过程中随机因素的影响，对多次平均后的瑞雷波信号应用汉宁窗函数，消除仪器设备暂态过程对测量结果的影响，然后进行快速傅立叶变换，得到信号中的基频和高频成分A₁、A₂，将A₁、A₂带入公式即可得到存在不同程度表面损伤试件的非线性系数。

本发明的利用瑞雷波进行金属材料表面损伤的非线性超声评价方法，包括以下步骤：

1)瑞雷波的激发和接收：将铌酸锂晶片换能器粘接在有机玻璃斜楔上，然后利用耦合剂将有机玻璃斜楔粘贴在镁合金试件表面；利用Ritec SNAP-0.25-7-G2非线性超声测试系统主机产生超声信号，超声信号在铝镁合金试件表面激发瑞雷波；在试件的另一端，同样利用铌酸锂晶片换能器和倾角相同的有机玻璃斜楔接收瑞雷波，接收超声信号的铌酸锂晶片换能器中心频率为4MHz；

2)测试系统可靠性检测：在试件和传播距离相同的情况下，采用在不同输入电压的情况下来驱动压电传感器，并测量相应的瑞雷波信号，通过对不同驱动电压检测到的瑞雷波信号通过计算机进行快速傅立叶变换，得到不同驱动电压下瑞雷波的基频幅值A₁和倍频幅值A₂；通过拟合曲线可知，超声信号中的倍频幅值A₂与基频幅值的平方A₁²接近于正比关系，利用该非线性超声测试系统能够准确地测得试件的非线性系数；