[发明专利]一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，包括：通过疲劳微裂纹初步定位得到微裂纹中心；选择水平正方向，定义取向角；在金属板材表面绘制一个正圆周，选择固定间隔角度；在绘制的正圆周上，依据取向角放置激发传感器与接收传感器；超声测试每组超声传感路径，并记录每组超声传感路径形成的时域波形信号；将每组时域波形信号转换为相应的频域图形，提取超声波基波信号幅值与二次谐波波形幅值，计算相对非线性系数；绘制取向角‑相对非线性系数极坐标图，确定微裂纹偏移角度。该方法是对现有微裂纹定位技术的补充，为测量疲劳微裂纹偏移角度提供了可行性，对工程结构损伤的无损检测具有重要的应用价值和推动作用。

技术领域

本发明涉及一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，属于超声波无损检测技术领域。

背景技术

金属材料以其良好的理化性质、力学性能以及成型工艺特性，在工程应用中成为应用范围最广、涵盖领域最全的一种工程材料。金属材料加工而成的构件长期服役于高温高压、碰撞冲击、化学腐蚀等极端恶劣而又条件多变的环境中，同时由于服役期间交变载荷作用、失当的生产工艺、组织结构退化等因素的综合影响，金属材料内部逐渐形成微损伤。长期以往，微损伤积累进一步演化为微裂纹，使得材料力学性能大幅退化，当微裂纹最终演化为宏观裂纹时，就会发生断裂失效，构件断裂失效对工业装备的安稳运行具有重大威胁。因此，对金属材料的早期结构损伤进行准确的监测，实现对金属构件疲劳损伤程度的快速检测与评价，可以有效避免金属构件突然失效对工业设备的安稳服役构成潜在的威胁。

传统的线性超声检测技术基于声弹性原理，当声波传播至被测材料时，会与内部损伤发生相互作用，产生如声速、波形振幅和时延等参数的变化，通过对超声时域信号的分析从而对材料性能做出检测评价。但由于线性超声对于操作与环境的变化异常敏感，甚至材料几何形状和边界的不同也会引起信号的变化。除此之外，对于材料早期的微裂纹损伤，线性超声检测技术显得并不那么敏感，测量参数的响应值一般都十分微小，难以有效表征材料力学性能演化。

非线性超声技术能弥补线性超声检测技术的缺点，对材料早期微观损伤进行有效表征。非线性超声技术的基本原理是检测信号在固体中传播时，材料固有非线性及因损伤缺陷产生的非线性相互作用，检测信号发生畸变，产生二阶及更高阶次的谐波频率成分。利用该特性，将被测材料超声时域信息转化为频域信息，从中提取高次谐波信号，从而获取被测材料的损伤信息。基于非线性超声的疲劳微裂纹损伤定位和角度测量预测，对于工程结构损伤的无损检测具有重要的应用价值和推动作用。

发明内容

本发明的发明目的：现有技术仅对疲劳微裂纹进行定位，但未进行角度测量，对疲劳微裂纹进行角度测量可有效表征材料损伤，预防材料因疲劳裂纹发生失效。本发明的发明目的在于对现有微裂纹定位技术进行补充，提出一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法。该方法能方便快捷、高精度、直观、低成本地测量疲劳微裂纹偏移角度。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案：一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，所述方法包括步骤如下：

S1、对含微裂纹缺陷的金属板材进行疲劳微裂纹初步定位，得到微裂纹中心O；

对步骤S1补充说明：

疲劳微裂纹初步定位的方法较多，举例：

在金属板材表面，选择合适的矩形检测区域，分别沿矩形两相交边确定多个间隔一定距离的水平方向、垂直方向的激发换能器测量位置，接收换能器放置于矩形对边，且与激发换能器关于矩形中心线垂直对称位置，测量相对非线性系数，每次测量后将激发换能器向适当的水平或垂直方向移动，并相应改变接收换能器位置，对比每组相对非线性系数，相对非线性系数最大处即为微裂纹中心处。

(可参考文献：王会芳.基于非线性超声的金属疲劳损伤检测及定位研究[D].天津大学，2017.)