殘余應力對鋁薄板Lamb波非線性效應的影響

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063)

鋁合金板材由于自身的優(yōu)良性能，在工業(yè)領域用途廣泛，使用中常被加工為承壓構件，而承壓構件長期處于交變載荷的作用下，易產(chǎn)生疲勞類損傷。在疲勞產(chǎn)生的初期，金屬材料內(nèi)部主要組織形態(tài)是位錯， 隨著位錯數(shù)量的增加，位錯會累積形成駐留滑移帶；駐留滑移帶再逐漸增大后就形成了微裂紋，微裂紋不斷擴展，最終形成宏觀裂紋[1]。宏觀裂紋產(chǎn)生后，材料內(nèi)部的應力集中更加明顯，會加劇材料的斷裂失效。因此，若能在金屬疲勞的初期，即微裂紋的萌生初期對材料內(nèi)部的微小損傷進行檢測，對構件使用壽命做出評價，進而采取后續(xù)處理措施，將大大降低工業(yè)生產(chǎn)中的事故率。

超聲波在薄板結構中常以Lamb波的形式存在，當板材的厚度和所激勵的超聲波波長數(shù)量級相同時，縱波和橫波會在薄板材中合成出一種特殊的應力波[2]，即Lamb波。造成超聲波衰減的主要原因是波束擴散、晶粒散射和介質吸收[3]。然而金屬處于疲勞初期時，其內(nèi)部產(chǎn)生的微小缺陷不能引起材料彈性模量的明顯改變，常規(guī)的線性Lamb波穿過微小缺陷時，模態(tài)不發(fā)生轉換，幅值變化不明顯，微小缺陷也就不能有效檢出。近年來隨著計算機技術的快速發(fā)展，超聲信號中的頻域信息被進一步地開發(fā)利用，非線性超聲技術作為無損檢測領域的新技術，逐漸被應用到材料的微小缺陷檢測中。BERMES[4]對比研究了6061鋁板和1100鋁板材料的非線性，驗證了非線性Lamb波應用于材料微小缺陷檢測中的可行性。鄧明析[5]對各向同性板材中的二次諧波的產(chǎn)生進行了研究，并在固體板材中使用Lamb波進行了損傷評價。JIAO等[6]等利用非線性Lamb波混頻技術，得出了非線性系數(shù)與裂紋長度成正比的結論。HYUNG等[7]用非線性超聲調(diào)制方法對3 mm厚的鋁合金板上26 mm長,15 μm寬的疲勞裂紋進行了檢測。高桂麗等[8]的研究表明高次諧波可作為表征疲勞裂紋或缺陷的特征量，根據(jù)不同點的掃描結果可大致確定疲勞裂紋的位置。

然而試驗中影響Lamb波非線性系數(shù)的因素有很多，主要分為兩個部分，其一是系統(tǒng)引入的非線性效應，而通過控制試驗條件將所用儀器設備參數(shù)設為一致，可排除其對非線性效應的影響[9]；其二為材料自身微小缺陷以及材料內(nèi)部殘余應力引起的非線性效應。殘余應力是材料內(nèi)部不均勻塑性變形引起的自身保持平衡的彈性應力[10]，如何區(qū)分微小缺陷引起的非線性效應和殘余應力引起的非線性效應是目前研究的難點。筆者通過對比試驗的方法探究了殘余應力對Lamb波非線性效應的影響，得到殘余應力對Lamb波非線性效應的影響趨勢，可為鋁合金板材的檢測提供更多參考依據(jù)，使無損檢測技術在材料的壽命評價上更加成熟。

1 超聲非線性效應理論

非線性超聲檢測是在有限振幅激勵下，超聲波能量較高時，超聲波與構件中如微裂紋、孔隙等微小缺陷相互作用后，會產(chǎn)生非線性的諧波分量，其本質上反映的是微小缺陷對材料非線性的影響，檢測的特征參數(shù)并不受限于缺陷和損傷的大小[11]。非線性超聲檢測法就是發(fā)射一個高能量的單一頻率超聲波，通過超聲波與構件材料的相互作用，檢測接收回波中是否存在諧波分量以及諧波能量的大小，來判定是否存在微小缺陷以及判斷缺陷的尺寸。

筆者通過有限振幅法激發(fā)材料的非線性效應來反映材料的疲勞程度，選用二階相對非線性系數(shù)來表征有限振幅聲波非線性產(chǎn)生的程度[12]，其表達式如式(1)所示。

(1)

式中：A1為基頻Lamb波幅值；A2為二倍頻Lamb波幅值。

縱波的非線性規(guī)律同樣適用于Lamb波，當Lamb波基頻相速度與二次諧波相速度一致時，材料中所激發(fā)出來的Lamb波的非線性效應最好[13]。

2 試樣設計

試驗選用厚度為3 mm的6061鋁合金薄板，其密度為2 700 kg·m3，彈性模量E為75.6 GPa，泊松比ν為0.33。常溫下，6061鋁合金的彈性極限在330 MPa左右，抗拉極限在390 MPa左右。

由于超聲波傳播時存在一定的擴散角，為避免接收到側壁邊沿反射回來的超聲波，試樣寬度設置為75 mm。試樣的尺寸(長×厚)為300 mm×3 mm。試樣的加工尺寸如圖1所示。

圖1 試件加工尺寸

微裂紋的預制方法為：首先在試樣表面利用電火花打一個尺寸(長×寬×深)為25 mm×0.2 mm×0.2 mm的凹槽，以利于試樣兩端受到拉伸時凹槽處的應力更加集中。采用最大載荷為500 kN的Instron壓伺服萬能試驗機，對上述板狀試樣進行室溫狀態(tài)下的拉伸疲勞試驗。試驗過程中采用應力控制的模式，最大力設置為30 kN,應力比為0.1，加載波形為正弦波，頻率固定為14 Hz。

在此疲勞條件下，該規(guī)格試樣總的疲勞壽命為5.2萬次，設計8塊疲勞程度不同的試樣，編號依次為1號至8號，每塊試樣遞增6500次循環(huán)。8塊試樣的累計疲勞次數(shù)如表1所示。

表1 試樣累計疲勞次數(shù)

3 試驗研究

3.1 模態(tài)選擇和探頭制作

圖2 鋁合金板Lamb波相速度頻散曲線和 群速度頻散曲線

鋁合金板Lamb波的頻散曲線如圖2所示。根據(jù)3 mm厚鋁板的Lamb波頻散曲線，選擇S1模態(tài)進行試驗。該模態(tài)相對易于激發(fā)，符合相速度匹配要求，非線性激發(fā)效率高，且由于群速度快，能夠很好地從其他Lamb波模態(tài)中篩選出該模態(tài)。為減小探頭阻尼塊引入的非線性效應，試驗采用自制探頭進行Lamb波非線性系數(shù)的測量。

Lamb波的激勵方法為縱波斜入射，自制發(fā)射探頭晶片選用頻率為1.25 MHz，直徑為20 mm的PT(鈦酸鉛)晶片，接收探頭選用頻率為2.5 MHz，直徑為20 mm的PT晶片，斜楔材料為有機玻璃。根據(jù)試樣板厚和所選的Lamb波模態(tài)及激勵晶片頻率，在相速度頻散曲線上可讀取到，頻厚積為3.75 MHz·mm時，S1模態(tài)對應的相速度Cp為6 230 m·s-1，有機玻璃中縱波的速度Cs為2 700 m·s-1，利用公式θ=arcsin(Cs/Cp)計算得到有機玻璃斜楔的角度θ為25.7°。

3.2 試驗系統(tǒng)搭建

設備主要采用美國 Ritec公司生產(chǎn)的 Ritec-SNAP-5000非線性超聲測量系統(tǒng)。試驗采用一發(fā)一收的方式進行，發(fā)射探頭中心頻率為1.25 MHz，接收探頭中心頻率為2.5 MHz，探頭通過醫(yī)用耦合劑耦合放置在厚度為3 mm的鋁合金試件薄板上。試驗過程中，通過示波器觀察波形，調(diào)節(jié)儀器參數(shù)。試驗時，RAM-5000-SNAP發(fā)射一個1.25 MHz的高能單頻脈沖信號到達發(fā)射晶片激勵出超聲波，再通過斜楔在鋁合金板上形成主模態(tài)為S1的Lamb波；接收部分分為兩個通道，通道Ch1為基頻波，信號從接收探頭經(jīng)過可調(diào)衰減器返回儀器內(nèi)部，通道Ch2接收二次諧波，探頭接收到信號后經(jīng)過2.5 MHz 帶通濾波，儀器內(nèi)部再對接收到的兩個通道信號分別進行傅里葉變換，最后將頻域信息通過繪圖顯示出來。其測試系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

圖3 Lamb波非線性系數(shù)測試系統(tǒng)結構框圖

搭建系統(tǒng)后，先對一塊未加工凹槽的試樣進行測試，探頭置于鋁板中心線的位置。調(diào)節(jié)上位機控制面板上的參數(shù)，測試條件為：激發(fā)頻率為1.25 MHz，考慮到要減小Lamb波的頻散現(xiàn)象，周期數(shù)選為15，積分率為1 100，電壓為50 V，加漢寧窗調(diào)試[14]，一通道衰減19 dB，二通道增益28 dB。計算相對非線性系數(shù)時，記錄一通道基波1.25 MHz附近處對應的最高幅值，記為A1；記錄二通道二次諧波2.5 MHz處附近對應的幅值，記為A2，最后計算相對非線性系數(shù)β。

3.3 Lamb波非線性系數(shù)測試及應力測試結果

測試現(xiàn)場如圖4所示，對制作的疲勞程度不同的8塊試樣，依次進行Lamb波非線性系數(shù)的測量，記錄得到的Lamb波相對非線性系數(shù)β，然后在試塊無凹槽面幾何中心點用Stress 3000型X射線應力分析儀進行應力測試，記錄未去應力時凹槽處的殘余應力值σ。測量完畢后，對8塊試樣進行熱處理，熱處理條件為：使用去應力時效設備(箱式電阻爐YTH-5-12)，在溫度(200±5) ℃下，保溫6 h，取出空冷[15]。熱處理完畢后，重復之前操作，記錄得到去應力后的Lamb波相對非線性系數(shù)β′和殘余應力σ′。未去應力及去應力后的Lamb波非線性系數(shù)和基波幅值如表2所示，殘余應力值如表3所示。

表2 未去應力及去應力后的Lamb波 非線性系數(shù)和基波幅值

圖4 Lamb波非線性系數(shù)測試現(xiàn)場

MPa

由表2中數(shù)據(jù)可看出，在鋁合金薄板試樣的整個疲勞微裂紋擴展過程中，試樣未去應力與去應力時的Lamb波非線性系數(shù)都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但殘余應力大小與試樣疲勞程度沒有單調(diào)關系，去應力前試樣中殘余應力的平均值為51.8 MPa，去應力后試樣中殘余應力的平均值為18.0 MPa，平均減小量為33.8 MPa。

圖5 去應力前后Lamb波基波幅值和非線性系數(shù)曲線

將表2中數(shù)據(jù)繪成曲線，如圖5所示，可得到試樣在整個裂紋擴展過程中，Lamb波非線性系數(shù)的變化趨勢，對比未去應力和去應力后的兩條曲線可發(fā)現(xiàn)：

(1) Lamb波相對非線性系數(shù)隨試樣疲勞程度的增加呈先增大后減小的趨勢，在前5塊試樣中依次增大，5號試樣達到最大值，隨著疲勞程度的增加而減小。在整個循環(huán)試驗過程中Lamb波基波幅值變化不大，直到7號試樣才略微下降。

(2) 前6塊試樣中，當試樣中有殘余應力時，其Lamb波相對非線性系數(shù)均大于試樣去應力處理后的Lamb波相對非線性系數(shù)，7號和8號試樣則相反，有殘余應力時Lamb波相對非線性系數(shù)小于去應力處理后試樣的。

(3) 對比兩條Lamb波非線性系數(shù)曲線的差值可看出，前4塊試樣的Lamb波相對非線性系數(shù)差值明顯大于后4塊的，殘余應力對金屬疲勞前半程非線性效應的影響明顯大于對后半程的。

3.4 金相測試結果

依次對8塊試樣進行金相試驗，圖6為1～8號試樣的金相測試結果，圖6(a)～(h)依次對應各試樣凹槽處剖面圖。可以看出，1～3號試樣凹槽周圍還處在位錯階段，還沒有出現(xiàn)微裂紋。隨著疲勞程度的增加，4～8號試樣凹槽處均產(chǎn)生了一條微裂紋，長度從28.3 μm擴展至195.1 μm。圖6(i)為試樣失效時的金相圖，此時微裂紋已擴展成為宏觀裂紋，長度為1194.7 μm，寬度為65.8 μm。

圖6 試樣金相圖

結合金相試驗和Lamb波非線性測試結果可看出，金屬疲勞初期最先是以位錯的形式存在的，引起材料非線性效應的主要因素是位錯，當對試樣進行熱處理后，材料中殘余應力被消除，試樣中的位錯也隨之減少，因此導致去應力后材料的超聲非線性效應減小。當疲勞程度加深后，材料中引起非線性效應的主要因素變?yōu)榱宋⒘鸭y，熱處理并不能消除材料中已經(jīng)產(chǎn)生的微裂紋，所以，此時殘余應力對材料超聲非線性效應的影響明顯減小。

4 結論

在金屬疲勞失效的整個過程中，材料所激發(fā)的Lamb波非線性效應隨著疲勞程度的加深，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。疲勞過程中，材料中的殘余應力在46.4 MPa～58.5 MPa之間，其對Lamb波的非線性效應也有一定的影響，在金屬疲勞初期達到疲勞總壽命的62.5%之前，非線性效應主要由位錯產(chǎn)生，殘余應力的存在會增大材料的超聲非線性效應；達到疲勞總壽命的62.5%之后，材料的非線性效應主要由微裂紋引起，此時殘余應力對材料超聲非線性效應影響不大。因此,在金屬材料出現(xiàn)疲勞的初期進行適當?shù)娜μ幚恚梢欢ǔ潭壬涎娱L材料的使用壽命。