金屬表面疲勞損傷的非線性Rayleigh波檢測方法

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(1.中北大學 信息與通信工程學院，太原 030051;2.中國特種設備檢測研究院， 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個階段，其中第一階段占了金屬工件整個疲勞壽命的80%～90%[1-3]。金屬工件疲勞壽命的檢測與評價一直是航空以及船舶等行業關心的問題[4]。金屬工件應力集中區在循環拉伸載荷的長期作用下，會有金屬材料位錯結構的滋生。隨著循環載荷的持續作用，金屬材料內部位錯密度不斷增大，位錯間會相互合并和生長，逐步在工件表面形成微孔，這往往是更為嚴重損傷的起始。因此，開展對拉伸疲勞加載下金屬表面疲勞損傷的檢測與評價就顯得十分必要。

線性超聲檢測技術是依賴聲波傳播過程中產生的聲波幅度變化、回波時間等線性特征參量進行檢測和評價的，對金屬材料早期的性能退化不敏感，無法實現金屬表面疲勞損傷的檢測[5-6]。非線性聲學檢測方法[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現象對材料性能進行評價的方法。對于金屬材料表面損傷的檢測與評價，通常采用非線性表面檢測方法。稅國雙[6]采用Rayleigh波對 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，進行了非線性超聲無損評價研究。HERRMANN[10]設計了非線性表面波方法的試驗步驟，評價了鎳合金材料樣品的高溫損傷。WALKER[11]采用非線性表面波對A36鋼材低周疲勞的塑性形變進行了檢測。顏丙生[12]提出了直接激發和接收Rayleigh波的方式，檢測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平臺，建立了非線性系數與拉伸疲勞載荷周期數之間的關系；結合疲勞樣品的表面形態檢測，完成了金屬材料微觀結構的評價。最終，采用非線性Rayleigh波檢測方法，實現了對拉伸載荷作用下金屬表面疲勞損傷的早期評價與檢測。

1 理論分析

在各向同性固體材料的半空間中，Rayleigh波沿其自由表面傳播。隨著基波的傳播，二次諧波是由材料的非線性產生的。對平面Rayleigh波而言，可得到如下關系[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。

由于實際試驗過程中，傳播速度和激發頻率都是保持不變的常數，所以β可以通過測量基波和二次諧波的幅值得到。因此，非線性系數又可表示為

(2)

式中:C常數包括所有的常數參數。

試驗中，x是保持不變的，可定義相對非線性系數β′來代替Rayleigh波的非線性系數的變化情況，其相對非線性系數的表達式為

(3)

待測樣品的非線性主要由以下兩部分構成：① 金屬材料固有的非線性，來源于構成材料的原子間相互作用力的非簡諧性；② 金屬材料受到外界循環載荷作用在工件的內部和表面產生位錯、滑移帶和微裂紋等微觀結構,產生了非線性。其中，第②部分是聲學非線性的主要來源，會造成非線性聲學系數的增長，而位錯、滑移帶和微裂紋等微觀結構的滋生正是金屬材料力學性能退化的主要原因。因此，文章采用量化非線性系數與加載拉伸疲勞周期數目的關系，來建立非線性系數-金屬材料微觀結構-宏觀力學性能三者之間的關系。

2 試驗過程

2.1 試驗裝置

搭建非線性Rayleigh表面波超聲檢測系統。RAM-5000-SNAP非線性超聲檢測系統產生周期數為30，頻率為5MHz的高能tone-burst信號，該信號經過低通濾波器后，由發射換能器激發超聲波，經過耦合劑耦合進入楔塊中，經過波型轉換產生表面波，在待測試件表面傳播。最終，表面波信號被楔塊和接收換能器接收。試驗裝置、試驗裝置的部分放大圖和試驗框圖如圖1～3所示。

圖1 試驗裝置外觀

圖2 試驗裝置的部分放大圖

圖3 試驗系統連接框圖

由于待測樣品表面存在疲勞損傷，Rayleigh表面波在傳播過程中發生了畸變，即產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一般都很微弱，很容易淹沒在系統噪聲中，所以，在發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，接收信號時需經過10 MHz的高通濾波，再經過信號放大器放大，最終被非線性超聲檢測系統采集，同時在示波器上顯示。試驗中，使用常規醫用超聲耦合劑實現換能器、楔塊和待測試件接觸面的有效耦合。

2.2 Rayleigh表面波的激發

采用斜楔法激發Rayleigh波。換能器激勵產生縱波聲信號，信號傳播至楔塊與待測樣品界面處發生透射現象，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玻璃，待測金屬樣品為Q235鋼。為了在試件中激發有效的Rayleigh波，必須滿足θ2=90°。由此，可計算出縱波入射角為

sinθ1=sin90°(c1/c2)=60°

(5)

試驗中采用的楔塊角度為60°,滿足式(5)，可實現Rayleigh表面波的有效激發。

表1 材料中的聲速 m·s-1

2.3 試驗樣品

試驗中待測試件的幾何尺寸如圖5所示。待測試件滿足應力集中的系數為1.6(σmax/σ)。

圖5 試件的幾何尺寸

采用PA-100型疲勞試驗機進行拉伸疲勞試驗。疲勞加載頻率為20 Hz，應力比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對試驗結果的影響，每加載10萬次后將試件從疲勞試驗機上卸下來，采用圖1所示的試驗裝置進行非線性系數測量。重復上述步驟，建立非線性參數與疲勞周期數之間的關系，進而可建立非線性參數-材料宏觀力學性能之間的關系。

3 試驗結果與分析

3.1 波形分析

采用非線性Rayleigh波檢測平臺，實現基波和二次諧波時域波形的接收，分別如圖6,7所示。對接收到的時域波形進行 FFT 變換，在頻率為 5 MHz的基頻位置上得到基波幅值A1，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A2，如圖9所示。圖9中二次諧波幅值經過放大器放大20 dB。試驗過程中，測量基波與二次諧波幅值時應保證測量條件的一致性，且每次測量過程重復3次，結果取其平均值，以降低隨機因素對試驗的影響，保證試驗結果的準確性和可靠性。

圖6 基波的時域波形

圖7 二次諧波的時域波形

圖8 基波頻域波形

圖9 二次諧波頻域波形

3.2 試驗結果分析

利用上述試驗系統和試驗方法對試件進行了不同拉伸載荷周期數目下超聲非線性系數的測量。將測量到的基波與二次諧波幅值代入式(3)，計算出被測試件的超聲相對非線性系數。0為測量的未進行疲勞加載時試件的超聲相對非線性系數,為離線測量的不同拉伸載荷周期數目下試件的超聲相對非線性系數,利用/0對超聲相對非線性系數進行正則化處理。用不同拉伸載荷周期數目的正則化相對非線性系數來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非線性系數與拉伸載荷周期數目的關系。

圖10 正則化相對非線性系數與拉伸載荷周期數目關系

從圖10可以看出，隨著試件疲勞載荷周期數目的增大，正則化相對非線性系數整體上呈增長趨勢。Q235鋼的超聲相對非線性系數與不同拉伸載荷周期數目的關系可分為兩個階段。第一階段：拉伸載荷周期數目為40萬次之前，超聲非線性系數隨疲勞周期數目的增加呈明顯的單調增加的變化趨勢。第二階段：拉伸載荷周期數目為40萬次之后，超聲非線性系數基本保持不變。試驗結果表明，超聲非線性系數對Q235鋼材料表面的早期疲勞損傷十分敏感。可見，在疲勞載荷作用前完成金屬結構非線性聲學系數的初始標定后，可利用非線性超聲無損檢測技術來定期離線檢測在役零部件的表面疲勞程度。

3.3 材料微觀結構觀測

為了進一步分析Q235鋼非線性的來源，采用S-3400N掃描電子顯微鏡對拉伸疲勞樣品進行了微觀結構的觀測，目的是對比原始樣品與拉伸疲勞載荷作用后試驗樣品的表面形態。觀察過程應在觀察面、放大倍數等條件一致的情況下進行，以確保對比結果的準確性。原始樣品和拉伸疲勞載荷作用后試驗樣品表面形態的觀察結果如圖11所示。

圖11 電子顯微鏡下試件的原始表面形態與拉伸疲勞載荷作用后的表面形態對比

對比圖11(a),(b)可以看出,原始試件表面沒有損傷，而拉伸疲勞載荷作用后試驗樣品表面出現了微孔等微損傷，且這些損傷的形狀不規則，大小不等，如圖11(b)中紅色圈標注的地方。試驗結果表明，在試件進入塑性變形階段后，樣品表面出現微孔等微觀缺陷，這些微損傷是超聲非線性系數增大的原因。由此，建立了試件的非線性系數-微結構-材料宏觀力學性能三者之間的關系。

4 結論

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

(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的變化情況，建立了非線性系數-微結構-材料宏觀力學性能三者之間的關系，結果表明，超聲非線性系數主要來源于金屬表面微孔等疲勞損傷，為非線性Rayleigh表面檢測方法的應用提供有力論據。