專利名稱：利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法。
背景技術：
對機械設備和工程結構中的在役結構元件來說，在外載荷的作用(包括環(huán)境作用)下，其壽命一般可分為三個階段早期的力學性能退化(包括物理、化學的老化和退化)、損傷的起始與積累(微孔和微裂紋)以及最后的斷裂失效。其中，損傷的起始與積累已在細觀力學、損傷力學以及兩者相結合的學科基礎上進行了廣泛地研究?，F(xiàn)在也已有眾多數(shù)據(jù)和大量模型來預測循環(huán)加載、環(huán)境影響下的裂紋擴展直至最后破壞。然而，人們對于性能退化及其對材料長期行為的影響卻知之甚少。盡管由于多種載荷的相互作用以及環(huán)境因素的影響，這幾個階段的區(qū)分并不明確。但對于設計良好的結構元件來說，常是第一階段(即早期力學性能退化)占據(jù)了整個壽命的大部分時間。例如，有研究表明對承受循環(huán)載荷的金屬結構材料來說，從內(nèi)部位錯群的大量產(chǎn)生到駐留滑移帶的形成，再到駐留滑移帶內(nèi)微裂紋的成核、長大，直至宏觀裂紋的形成，這一階段占結構材料整個疲勞壽命的 80-90%。因此，研究發(fā)展材料和結構早期力學性能退化的超聲無損檢測就顯得十分重要。超聲無損檢測技術作為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品制造和使用過程中不可缺的檢測手段之一， 在各個方面都有著廣泛的應用。目前比較成熟的超聲無損檢測技術主要針對材料或結構的缺陷起始和積累階段以及最終失效階段，如探測材料中的微孔、微裂紋等缺陷的存在和分布。其中主要應用到波的時程、聲速、衰減、阻抗、散射等信息。但是，這些參數(shù)對材料和結構早期力學性能的退化很不敏感。近年來，非線性超聲技術引起了人們的廣泛重視。越來越多的研究表明，材料性能退化與超聲波的非線性效應密切相關。比如對金屬材料來說，在晶體承受疲勞、高溫蠕變、 高速沖擊等加載過程中，以及在剪切帶中和裂紋前緣，內(nèi)部存在高度有序和高度非均勻的位錯空間結構，稱之為位錯組態(tài)或位錯花樣。不同的材料和不同的力學過程會產(chǎn)生不同的位錯組態(tài)。雖然這些位錯組態(tài)對波的聲速、衰減、阻抗以及散射等線性參數(shù)影響不明顯，但由于這些位錯組態(tài)的存在，將使其中傳播的超聲波波形產(chǎn)生畸變，導致單一頻率的超聲波中會有高頻諧波的產(chǎn)生，即單一頻率的超聲波在具有非線性特性的介質(zhì)或結構中傳播時將產(chǎn)生二倍、三倍等整數(shù)倍頻率的高階諧波。因此通過對這些高頻諧波的測量研究，找到其處于不同階段的聲學非線性系數(shù)，就可以了解材料內(nèi)部微觀位錯組態(tài)的變化，從而對材料和結構的早期力學性能退化和損傷做出有效的無損檢測。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種結構簡單、使用方便的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法；利用將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔粘貼于存在不同程度表面損傷的金屬板狀試件表面激發(fā)和接收瑞雷波。對接收得到瑞雷波信號進行多次平均的方法以提高瑞雷波信號的信噪比，并有效抑制測試過程中隨機因素的影響，對多次平均后的瑞雷波信號應用漢寧窗函數(shù)， 消除儀器設備暫態(tài)過程對測量結果的影響，然后進行快速傅立葉變換，得到信號中的基頻和高頻成分ApA2，將ApA2帶入公式即可得到存在不同程度表面損傷試件的非線性系數(shù)。本發(fā)明的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，包括以下步驟1)瑞雷波的激發(fā)和接收將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔粘貼在鎂合金試件表面；利用Ritec SNAP-0. 25-7-G2非線性超聲測試系統(tǒng)主機產(chǎn)生超聲信號，超聲信號在鋁鎂合金試件表面激發(fā)瑞雷波；在試件的另一端， 同樣利用鈮酸鋰晶片換能器和傾角相同的有機玻璃斜楔接收瑞雷波，接收超聲信號的鈮酸鋰晶片換能器中心頻率為4MHz ；2)測試系統(tǒng)可靠性檢測在試件和傳播距離相同的情況下，采用在不同輸入電壓的情況下來驅(qū)動壓電傳感器，并測量相應的瑞雷波信號，通過對不同驅(qū)動電壓檢測到的瑞雷波信號通過計算機進行快速傅立葉變換，得到不同驅(qū)動電壓下瑞雷波的基頻幅值A1和倍頻幅值A2;通過擬合曲線可知，超聲信號中的倍頻幅值A2與基頻幅值的平方A12接近于正比關系，利用該非線性超聲測試系統(tǒng)能夠準確地測得試件的非線性系數(shù)；3)試件表面存在不同程度損傷時的非線性系數(shù)測量利用電子萬能實驗機將鎂合金試件加載到特定的應力后，將試件從電子萬能實驗機上卸下，然后利用實驗裝置激發(fā)并接收瑞雷波；對接收到的瑞雷波信號進行信號處理，即對信號加漢寧窗、并進行快速傅里葉變換，得到所接收的瑞雷波超聲信號中基頻幅值A1和倍頻幅值A2;完成上述測試后，再將試件拉伸到大于前一次加載的應力，并再次對從電子萬能實驗機上卸下的試件進行同樣的非線性超聲測試，得到試件在本次應力作用后的超聲波基頻和倍頻幅值；重復上述步驟，直到試件出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，發(fā)生強度失效為止；定義并采用如下基于基頻和倍頻幅值的相對非線性系數(shù)Jk = A2A12根據(jù)式上式計算得到瑞雷波的相對非線性系數(shù)β Ε,記試件未經(jīng)應力加載時的相對非線性系數(shù)為β Μ，對試件加載不同應力后的相對非線性系數(shù)除以β 進行正則化， 得到基于基頻、倍頻的正則化相對非線性系數(shù)與應力間的關系曲線圖；4)試驗的可重復性操作將激發(fā)和接收瑞雷波的壓電傳感器和有機玻璃斜楔完全從試件卸下移開，清理干凈耦合劑，然后完全重復步驟1)的工作，即將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔粘貼在金屬板狀試件表面，激發(fā)和接收一定強度的瑞雷表面波；接著再重復步驟；3)中的工作，對同一試件在不同應力加載后進行瑞雷波信號的激發(fā)和接收，進行2-3次的重復測試，以保證測試結果的可靠和準確，即可得到存在不同程度表面損傷試件的非線性系數(shù)。本發(fā)明的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，在步驟1) 中非線性超聲測試系統(tǒng)主機產(chǎn)生的超聲信號為10-16個周期、頻率為2MHz的正弦脈沖串超聲信號，該信號經(jīng)過50歐姆終端進行阻抗匹配、衰減器和低通濾波器后，激勵粘接在有機玻璃斜楔上的鈮酸鋰晶片換能器，超聲信號在鋁鎂合金試件表面激發(fā)瑞雷波。本發(fā)明的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，在步驟1) 中利用示波器對采集到的信號進行525次的平均，以提高瑞雷波信號的信噪比，并有效抑制測試過程中隨機因素的影響；對多次平均后的瑞雷波信號應用漢寧窗函數(shù)，消除儀器設備暫態(tài)過程對測量結果的影響。與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果為1)同利用體波進行超聲無損檢測相比，利用瑞雷表面波特別適合對大型復雜的板結構進行非線性系數(shù)的測量。在測量過程中，只用在結構的一側進行超聲波的激發(fā)和測量就可以了，從而使測量過程簡便易行。并且，瑞雷表面波還具有能量集中在結構表面、傳播距離較遠等非常利于測量的優(yōu)勢。2)將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔粘貼在金屬板狀試件表面激發(fā)和接收瑞雷表面波的方法簡單易行，特別適合對結構構件的現(xiàn)場檢測。3)常規(guī)超聲檢測方法利用的是超聲波的聲速、衰減等線性參量，這些參量對材料早期的力學性能退化很不敏感，而超聲非線性系數(shù)對材料結構出現(xiàn)宏觀裂紋前的早期損傷和機械性能退化很敏感。利用非線性超聲方法能夠?qū)Σ牧辖Y構的早期損傷和機械性能退化進行有效的評價。


圖1是本發(fā)明實施例所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法中采用的測量裝置的結構示意圖；圖2是本發(fā)明實施例所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法中激發(fā)并接收到的瑞雷波信號圖；圖3是本發(fā)明實施例所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法中在不同激發(fā)電壓下倍頻幅值A2與基頻幅值平方A12之間的關系圖；圖4是本發(fā)明實施例所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法中基于基頻、倍頻的正則化相對非線性系數(shù)與應力間的關系圖；圖5是本發(fā)明實施例所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法中基于應力波因子的正則化相對非線性系數(shù)與應力間的關系；圖6是本發(fā)明實施例所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法中基于基頻、倍頻幅值的非線性系數(shù)與基于應力波因子的非線性系數(shù)的對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1-6所示，一種利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法， 包括以下步驟1)瑞雷波的激發(fā)和接收將鈮酸鋰晶片換能器4粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔3粘貼在鎂合金試件2表面；利用Ritec SNAP-0.25-7-G2非線性超聲測試系統(tǒng)主機1產(chǎn)生超聲信號，超聲信號在鋁鎂合金試件2表面激發(fā)瑞雷波；在試件的另一端，同樣利用鈮酸鋰晶片換能器和傾角相同的有機玻璃斜楔接收瑞雷波，接收超聲信號的鈮酸鋰晶片換能器中心頻率為4MHz ；2)測試系統(tǒng)可靠性檢測在試件和傳播距離相同的情況下，采用在不同輸入電壓的情況下來驅(qū)動壓電傳感器，并測量相應的瑞雷波信號，通過對不同驅(qū)動電壓檢測到的瑞雷波信號通過計算機9進行快速傅立葉變換，得到不同驅(qū)動電壓下瑞雷波的基頻幅值A1和倍頻幅值A2 ；通過擬合曲線可知，超聲信號中的倍頻幅值A2與基頻幅值的平方A12接近于正比關系，利用該非線性超聲測試系統(tǒng)能夠準確地測得試件的非線性系數(shù)；3)試件表面存在不同程度損傷時的非線性系數(shù)測量利用電子萬能實驗機將鎂合金試件加載到特定的應力后，將試件從電子萬能實驗機上卸下，然后利用實驗裝置激發(fā)并接收瑞雷波；對接收到的瑞雷波信號進行信號處理，即對信號加漢寧窗、并進行快速傅里葉變換，得到所接收的瑞雷波超聲信號中基頻幅值A1和倍頻幅值A2;完成上述測試后，再將試件拉伸到大于前一次加載的應力，并再次對從電子萬能實驗機上卸下的試件進行同樣的非線性超聲測試，得到試件在本次應力作用后的超聲波基頻和倍頻幅值；重復上述步驟，直到試件出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，發(fā)生強度失效為止；定義并采用如下基于基頻和倍頻幅值的相對非線性系數(shù)Jk = A2A12根據(jù)式上式計算得到瑞雷波的相對非線性系數(shù)β Ε,記試件未經(jīng)應力加載時的相對非線性系數(shù)為β Μ，對試件加載不同應力后的相對非線性系數(shù)除以β 進行正則化， 得到基于基頻、倍頻的正則化相對非線性系數(shù)與應力間的關系曲線圖，如圖4所示；在應力小于125MPa的階段，非線性系數(shù)的變化相當微??；當應力超過125MPa后，非線性系數(shù)隨應力的增加而緩慢增加，特別是當應力大于150MPa以后，非線性系數(shù)有著相當明顯的變化； 當應力超過屈服極限178MPa以后，非線性系數(shù)隨應力的變化更加明顯；應力達到強度極限時非線性系數(shù)達到最大。上述非線性超聲測試結果與AZ31鎂鋁合金試件在拉伸載荷作用下的機械性能直接相關。在對AZ31鎂鋁合金試件的標準拉伸試驗中，當應力達到150MPa 以后，試件開始出現(xiàn)殘余塑性變形；當應力達到屈服極限以后，應變顯著增加。這說明利用瑞雷波測試得到的超聲非線性系數(shù)可以表征金屬材料表面在拉伸作用下導致的塑性損傷。4)試驗的可重復性操作將激發(fā)和接收瑞雷波的壓電傳感器和有機玻璃斜楔完全從試件卸下移開，清理干凈耦合劑，然后完全重復步驟1)的工作，即將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔粘貼在金屬板狀試件表面，激發(fā)和接收一定強度的瑞雷表面波；接著再重復步驟幻中的工作，對同一試件在不同應力加載后進行瑞雷波信號的激發(fā)和接收，進行2-3次的重復測試，以保證測試結果的可靠和準確，即可得到存在不同程度表面損傷試件的非線性系數(shù)。本發(fā)明的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，在步驟1) 中非線性超聲測試系統(tǒng)主機1產(chǎn)生的超聲信號為10-16個周期、頻率為2MHz的正弦脈沖串超聲信號，該信號經(jīng)過50歐姆終端5的進行阻抗匹配、衰減器6和低通濾波器7后，激勵粘接在有機玻璃斜楔3上的鈮酸鋰晶片換能器4，超聲信號在鋁鎂合金試件2表面激發(fā)瑞雷波。本發(fā)明的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，在步驟1) 中利用示波器8對采集到的信號進行525次的平均，以提高瑞雷波信號的信噪比，并有效抑制測試過程中隨機因素的影響；對多次平均后的瑞雷波信號應用漢寧窗函數(shù)，消除儀器設備暫態(tài)過程對測量結果的影響。本發(fā)明的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，在步驟1) 中在各向同性、均勻、線彈性的半空間彈性體內(nèi)，Rayleigh波的傳播速度滿足Rayleigh方
權利要求
1.一種利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，其特征在于，包括以下步驟1)瑞雷波的激發(fā)和接收將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔粘貼在鎂合金試件表面；利用非線性超聲測試系統(tǒng)主機產(chǎn)生超聲信號， 超聲信號在鋁鎂合金試件表面激發(fā)瑞雷波；在試件的另一端，同樣利用鈮酸鋰晶片換能器和傾角相同的有機玻璃斜楔接收瑞雷波，接收超聲信號的鈮酸鋰晶片換能器中心頻率為 4MHz ；2)測試系統(tǒng)可靠性檢測在試件和傳播距離相同的情況下，采用在不同輸入電壓的情況下來驅(qū)動壓電傳感器，并測量相應的瑞雷波信號，通過對不同驅(qū)動電壓檢測到的瑞雷波信號通過計算機進行快速傅立葉變換，得到不同驅(qū)動電壓下瑞雷波的基頻幅值A1和倍頻幅值A2;通過擬合曲線可知，超聲信號中的倍頻幅值A2與基頻幅值的平方A12接近于正比關系，利用該非線性超聲測試系統(tǒng)能夠準確地測得試件的非線性系數(shù)；3)試件表面存在不同程度損傷時的非線性系數(shù)測量利用電子萬能實驗機將鎂合金試件加載到特定的應力后，將試件從電子萬能實驗機上卸下，然后利用實驗裝置激發(fā)并接收瑞雷波；對接收到的瑞雷波信號進行信號處理，即對信號加漢寧窗、并進行快速傅里葉變換，得到所接收的瑞雷波超聲信號中基頻幅值A1和倍頻幅值A2;完成上述測試后，再將試件拉伸到大于前一次加載的應力，并再次對從電子萬能實驗機上卸下的試件進行同樣的非線性超聲測試，得到試件在本次應力作用后的超聲波基頻和倍頻幅值；重復上述步驟，直到試件出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，發(fā)生強度失效為止；定義并采用如下基于基頻和倍頻幅值的相對非線性系數(shù)β K = A2A12 ；根據(jù)式上式計算得到瑞雷波的相對非線性系數(shù)β Ε,記試件未經(jīng)應力加載時的相對非線性系數(shù)為β Κ(ι，對試件加載不同應力后的相對非線性系數(shù)除以β Κ(ι進行正則化，得到基于基頻、倍頻的正則化相對非線性系數(shù)與應力間的關系曲線圖；4)試驗的可重復性操作將激發(fā)和接收瑞雷波的壓電傳感器和有機玻璃斜楔完全從試件卸下移開，清理干凈耦合劑，然后完全重復步驟1)的工作，即將鈮酸鋰晶片換能器粘接在有機玻璃斜楔上，然后利用耦合劑將有機玻璃斜楔粘貼在金屬板狀試件表面，激發(fā)和接收一定強度的瑞雷表面波；接著再重復步驟幻中的工作，對同一試件在不同應力加載后進行瑞雷波信號的激發(fā)和接收，進行2-3次的重復測試，以保證測試結果的可靠和準確，即可得到存在不同程度表面損傷試件的非線性系數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法， 其特征在于，在步驟1)中非線性超聲測試系統(tǒng)主機產(chǎn)生的超聲信號為10-16個周期、頻率為2MHz的正弦脈沖串超聲信號，該信號經(jīng)過50歐姆終端進行阻抗匹配、衰減器和低通濾波器后，激勵粘接在有機玻璃斜楔上的鈮酸鋰晶片換能器，超聲信號在鋁鎂合金試件表面激發(fā)瑞雷波。
3.根據(jù)權利要求1所述的利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法， 其特征在于，在步驟1)中利用示波器對采集到的信號進行525次的平均，以提高瑞雷波信號的信噪比，并有效抑制測試過程中隨機因素的影響；對多次平均后的瑞雷波信號應用漢寧窗函數(shù)，消除儀器設備暫態(tài)過程對測量結果的影響。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用瑞雷波進行金屬材料表面損傷的非線性超聲評價方法，包括以下步驟1)瑞雷波的激發(fā)和接收；2)測試系統(tǒng)可靠性檢測；3)試件表面存在不同程度損傷時的非線性系數(shù)測量；4)試驗的可重復性操作。本發(fā)明的非線性超聲評價方法同利用體波進行超聲無損檢測相比，利用瑞雷表面波特別適合對大型復雜的板結構進行非線性系數(shù)的測量。在測量過程中，只用在結構的一側進行超聲波的激發(fā)和測量就可以了，從而使測量過程簡便易行。并且，瑞雷表面波還具有能量集中在結構表面、傳播距離較遠等非常利于測量的優(yōu)勢；操作簡單易行，特別適合對結構構件的現(xiàn)場檢測；利用非線性超聲方法能夠?qū)Σ牧辖Y構的早期損傷和機械性能退化進行有效的評價。
文檔編號G01N29/04GK102426192SQ20111027499
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權日2011年9月16日
發(fā)明者柯燎亮, 汪越勝, 王正道, 稅國雙, 陳阿麗 申請人:北京交通大學