金屬表面疲勞損傷的非線性Rayleigh波檢測(cè)方法

，，

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051;2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029)

材料的壽命一般可分為早期性能退化、損傷起始與積累以及最后斷裂失效3個(gè)階段，其中第一階段占了金屬工件整個(gè)疲勞壽命的80%～90%[1-3]。金屬工件疲勞壽命的檢測(cè)與評(píng)價(jià)一直是航空以及船舶等行業(yè)關(guān)心的問(wèn)題[4]。金屬工件應(yīng)力集中區(qū)在循環(huán)拉伸載荷的長(zhǎng)期作用下，會(huì)有金屬材料位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的滋生。隨著循環(huán)載荷的持續(xù)作用，金屬材料內(nèi)部位錯(cuò)密度不斷增大，位錯(cuò)間會(huì)相互合并和生長(zhǎng)，逐步在工件表面形成微孔，這往往是更為嚴(yán)重?fù)p傷的起始。因此，開(kāi)展對(duì)拉伸疲勞加載下金屬表面疲勞損傷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)就顯得十分必要。

線性超聲檢測(cè)技術(shù)是依賴聲波傳播過(guò)程中產(chǎn)生的聲波幅度變化、回波時(shí)間等線性特征參量進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)的，對(duì)金屬材料早期的性能退化不敏感，無(wú)法實(shí)現(xiàn)金屬表面疲勞損傷的檢測(cè)[5-6]。非線性聲學(xué)檢測(cè)方法[7-9]是采用有限振幅聲波在固體材料中傳播引起的非線性聲學(xué)現(xiàn)象對(duì)材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。對(duì)于金屬材料表面損傷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，通常采用非線性表面檢測(cè)方法。稅國(guó)雙[6]采用Rayleigh波對(duì) AZ31鎂鋁合金試件表面的鎳合金涂層在拉伸載荷作用下的損傷演化，進(jìn)行了非線性超聲無(wú)損評(píng)價(jià)研究。HERRMANN[10]設(shè)計(jì)了非線性表面波方法的試驗(yàn)步驟，評(píng)價(jià)了鎳合金材料樣品的高溫?fù)p傷。WALKER[11]采用非線性表面波對(duì)A36鋼材低周疲勞的塑性形變進(jìn)行了檢測(cè)。顏丙生[12]提出了直接激發(fā)和接收Rayleigh波的方式，檢測(cè)了鎂合金厚板的表面疲勞損傷。

筆者搭建了非線性超聲檢測(cè)平臺(tái)，建立了非線性系數(shù)與拉伸疲勞載荷周期數(shù)之間的關(guān)系；結(jié)合疲勞樣品的表面形態(tài)檢測(cè)，完成了金屬材料微觀結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)。最終，采用非線性Rayleigh波檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉伸載荷作用下金屬表面疲勞損傷的早期評(píng)價(jià)與檢測(cè)。

1 理論分析

在各向同性固體材料的半空間中，Rayleigh波沿其自由表面?zhèn)鞑ァｋS著基波的傳播，二次諧波是由材料的非線性產(chǎn)生的。對(duì)平面Rayleigh波而言，可得到如下關(guān)系[13-15]

(1)

式中:cR為Rayleigh波的傳播波速;A1和A2分別為基波和二次諧波信號(hào)的幅值;x為Rayleigh波在固體材料中的傳播距離;ω為角頻率;β為超聲非線性系數(shù)。

由于實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，傳播速度和激發(fā)頻率都是保持不變的常數(shù)，所以β可以通過(guò)測(cè)量基波和二次諧波的幅值得到。因此，非線性系數(shù)又可表示為

(2)

式中:C常數(shù)包括所有的常數(shù)參數(shù)。

試驗(yàn)中，x是保持不變的，可定義相對(duì)非線性系數(shù)β′來(lái)代替Rayleigh波的非線性系數(shù)的變化情況，其相對(duì)非線性系數(shù)的表達(dá)式為

(3)

待測(cè)樣品的非線性主要由以下兩部分構(gòu)成：① 金屬材料固有的非線性，來(lái)源于構(gòu)成材料的原子間相互作用力的非簡(jiǎn)諧性；② 金屬材料受到外界循環(huán)載荷作用在工件的內(nèi)部和表面產(chǎn)生位錯(cuò)、滑移帶和微裂紋等微觀結(jié)構(gòu),產(chǎn)生了非線性。其中，第②部分是聲學(xué)非線性的主要來(lái)源，會(huì)造成非線性聲學(xué)系數(shù)的增長(zhǎng)，而位錯(cuò)、滑移帶和微裂紋等微觀結(jié)構(gòu)的滋生正是金屬材料力學(xué)性能退化的主要原因。因此，文章采用量化非線性系數(shù)與加載拉伸疲勞周期數(shù)目的關(guān)系，來(lái)建立非線性系數(shù)-金屬材料微觀結(jié)構(gòu)-宏觀力學(xué)性能三者之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)裝置

搭建非線性Rayleigh表面波超聲檢測(cè)系統(tǒng)。RAM-5000-SNAP非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生周期數(shù)為30，頻率為5MHz的高能tone-burst信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，由發(fā)射換能器激發(fā)超聲波，經(jīng)過(guò)耦合劑耦合進(jìn)入楔塊中，經(jīng)過(guò)波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生表面波，在待測(cè)試件表面?zhèn)鞑ァＷ罱K，表面波信號(hào)被楔塊和接收換能器接收。試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)裝置的部分放大圖和試驗(yàn)框圖如圖1～3所示。

圖1 試驗(yàn)裝置外觀

圖2 試驗(yàn)裝置的部分放大圖

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)連接框圖

由于待測(cè)樣品表面存在疲勞損傷，Rayleigh表面波在傳播過(guò)程中發(fā)生了畸變，即產(chǎn)生了二次及以上的高次諧波。由于二次及以上的高次諧波信號(hào)一般都很微弱，很容易淹沒(méi)在系統(tǒng)噪聲中，所以，在發(fā)射端放置了低通濾波器濾掉高頻成分，且接收換能器具有寬頻帶特性。接收換能器的頻譜如圖4所示。

圖4 接收換能器頻譜

為了更好地提取二次諧波信號(hào)，接收信號(hào)時(shí)需經(jīng)過(guò)10 MHz的高通濾波，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大，最終被非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)采集，同時(shí)在示波器上顯示。試驗(yàn)中，使用常規(guī)醫(yī)用超聲耦合劑實(shí)現(xiàn)換能器、楔塊和待測(cè)試件接觸面的有效耦合。

2.2 Rayleigh表面波的激發(fā)

采用斜楔法激發(fā)Rayleigh波。換能器激勵(lì)產(chǎn)生縱波聲信號(hào)，信號(hào)傳播至楔塊與待測(cè)樣品界面處發(fā)生透射現(xiàn)象，滿足Snell定律

(4)

式中：c1為楔塊的縱波聲速；c2為Rayleigh波聲速；θ1和θ2分別為波的入射角和折射角，材料中的聲速如表1所示。

此處楔塊材料為有機(jī)玻璃，待測(cè)金屬樣品為Q235鋼。為了在試件中激發(fā)有效的Rayleigh波，必須滿足θ2=90°。由此，可計(jì)算出縱波入射角為

sinθ1=sin90°(c1/c2)=60°

(5)

試驗(yàn)中采用的楔塊角度為60°,滿足式(5)，可實(shí)現(xiàn)Rayleigh表面波的有效激發(fā)。

表1 材料中的聲速 m·s-1

2.3 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)中待測(cè)試件的幾何尺寸如圖5所示。待測(cè)試件滿足應(yīng)力集中的系數(shù)為1.6(σmax/σ)。

圖5 試件的幾何尺寸

采用PA-100型疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)。疲勞加載頻率為20 Hz，應(yīng)力比R=σmin/σmax=0.25，平均加載載荷大小為10 kN，振幅為6 kN，疲勞載荷為正弦交變載荷。為了觀察不同疲勞周數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每加載10萬(wàn)次后將試件從疲勞試驗(yàn)機(jī)上卸下來(lái)，采用圖1所示的試驗(yàn)裝置進(jìn)行非線性系數(shù)測(cè)量。重復(fù)上述步驟，建立非線性參數(shù)與疲勞周期數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而可建立非線性參數(shù)-材料宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 波形分析

采用非線性Rayleigh波檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基波和二次諧波時(shí)域波形的接收，分別如圖6,7所示。對(duì)接收到的時(shí)域波形進(jìn)行 FFT 變換，在頻率為 5 MHz的基頻位置上得到基波幅值A(chǔ)1，基波頻域波形如圖8所示；在頻率為 10 MHz的二倍頻位置上得到二次諧波幅值A(chǔ)2，如圖9所示。圖9中二次諧波幅值經(jīng)過(guò)放大器放大20 dB。試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量基波與二次諧波幅值時(shí)應(yīng)保證測(cè)量條件的一致性，且每次測(cè)量過(guò)程重復(fù)3次，結(jié)果取其平均值，以降低隨機(jī)因素對(duì)試驗(yàn)的影響，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖6 基波的時(shí)域波形

圖7 二次諧波的時(shí)域波形

圖8 基波頻域波形

圖9 二次諧波頻域波形

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法對(duì)試件進(jìn)行了不同拉伸載荷周期數(shù)目下超聲非線性系數(shù)的測(cè)量。將測(cè)量到的基波與二次諧波幅值代入式(3)，計(jì)算出被測(cè)試件的超聲相對(duì)非線性系數(shù)。0為測(cè)量的未進(jìn)行疲勞加載時(shí)試件的超聲相對(duì)非線性系數(shù),為離線測(cè)量的不同拉伸載荷周期數(shù)目下試件的超聲相對(duì)非線性系數(shù),利用/0對(duì)超聲相對(duì)非線性系數(shù)進(jìn)行正則化處理。用不同拉伸載荷周期數(shù)目的正則化相對(duì)非線性系數(shù)來(lái)表示金屬表面疲勞損傷的程度。圖10為正則化后的超聲相對(duì)非線性系數(shù)與拉伸載荷周期數(shù)目的關(guān)系。

圖10 正則化相對(duì)非線性系數(shù)與拉伸載荷周期數(shù)目關(guān)系

從圖10可以看出，隨著試件疲勞載荷周期數(shù)目的增大，正則化相對(duì)非線性系數(shù)整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。Q235鋼的超聲相對(duì)非線性系數(shù)與不同拉伸載荷周期數(shù)目的關(guān)系可分為兩個(gè)階段。第一階段：拉伸載荷周期數(shù)目為40萬(wàn)次之前，超聲非線性系數(shù)隨疲勞周期數(shù)目的增加呈明顯的單調(diào)增加的變化趨勢(shì)。第二階段：拉伸載荷周期數(shù)目為40萬(wàn)次之后，超聲非線性系數(shù)基本保持不變。試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)對(duì)Q235鋼材料表面的早期疲勞損傷十分敏感。可見(jiàn)，在疲勞載荷作用前完成金屬結(jié)構(gòu)非線性聲學(xué)系數(shù)的初始標(biāo)定后，可利用非線性超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)定期離線檢測(cè)在役零部件的表面疲勞程度。

3.3 材料微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)

為了進(jìn)一步分析Q235鋼非線性的來(lái)源，采用S-3400N掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸疲勞樣品進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，目的是對(duì)比原始樣品與拉伸疲勞載荷作用后試驗(yàn)樣品的表面形態(tài)。觀察過(guò)程應(yīng)在觀察面、放大倍數(shù)等條件一致的情況下進(jìn)行，以確保對(duì)比結(jié)果的準(zhǔn)確性。原始樣品和拉伸疲勞載荷作用后試驗(yàn)樣品表面形態(tài)的觀察結(jié)果如圖11所示。

圖11 電子顯微鏡下試件的原始表面形態(tài)與拉伸疲勞載荷作用后的表面形態(tài)對(duì)比

對(duì)比圖11(a),(b)可以看出,原始試件表面沒(méi)有損傷，而拉伸疲勞載荷作用后試驗(yàn)樣品表面出現(xiàn)了微孔等微損傷，且這些損傷的形狀不規(guī)則，大小不等，如圖11(b)中紅色圈標(biāo)注的地方。試驗(yàn)結(jié)果表明，在試件進(jìn)入塑性變形階段后，樣品表面出現(xiàn)微孔等微觀缺陷，這些微損傷是超聲非線性系數(shù)增大的原因。由此，建立了試件的非線性系數(shù)-微結(jié)構(gòu)-材料宏觀力學(xué)性能三者之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

(1) 研究了一套利用Rayleigh表面波離線測(cè)量超聲非線性系數(shù)的試驗(yàn)系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)測(cè)量了Q235鋼在不同拉伸載荷周期數(shù)目下的超聲非線性系數(shù)的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，非線性Rayleigh波檢測(cè)方法可用于金屬表面疲勞損傷的檢測(cè)。

(2) 采用S-3400N掃描電子顯微鏡觀察了Q235鋼在拉伸載荷作用后的表面微觀形態(tài)的變化情況，建立了非線性系數(shù)-微結(jié)構(gòu)-材料宏觀力學(xué)性能三者之間的關(guān)系，結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)主要來(lái)源于金屬表面微孔等疲勞損傷，為非線性Rayleigh表面檢測(cè)方法的應(yīng)用提供有力論據(jù)。