專利名稱：利用非線性瑞利波檢測(cè)材料早期力學(xué)性能退化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用非線性瑞利波無損檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的方法，屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
機(jī)械零部件由于長(zhǎng)期承受拉伸、壓縮或交變載荷而產(chǎn)生力學(xué)性能退化，最終斷裂失效是一種非常普遍的現(xiàn)象。金屬零部件力學(xué)性能退化在微觀上主要分為三個(gè)階段位錯(cuò)的大量產(chǎn)生以及駐留滑移帶的形成、滑移帶的增多和微裂紋的成核長(zhǎng)大、宏觀裂紋的產(chǎn)生以及最后的斷裂失效。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的結(jié)構(gòu)元件來說，第一和第二階段一般占金屬零部件整個(gè)疲勞壽命的60％～80％。因此，發(fā)展金屬材料早期力學(xué)性能退化的有效檢測(cè)和評(píng)價(jià)手段就顯的十分重要?，F(xiàn)有的超聲無損檢測(cè)技術(shù)利用波的時(shí)程、聲速和衰減等線性物理參數(shù)已經(jīng)可以檢測(cè)材料中宏觀裂紋的存在和分布。但是，上述線性物理參數(shù)對(duì)出現(xiàn)宏觀裂紋前的材料早期力學(xué)性能退化很不敏感。
非線性超聲無損檢測(cè)方法利用聲波在金屬材料中傳播時(shí)的非線性效應(yīng)(即波形畸變、諧波產(chǎn)生等)可以對(duì)材料的早期力學(xué)性能退化進(jìn)行檢測(cè)。目前的研究多是利用縱波非線性來測(cè)量材料的超聲非線性系數(shù)，無法對(duì)板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能退化進(jìn)行檢測(cè)。另外，由于表征材料非線性效應(yīng)大小的非線性系數(shù)β非常小，很容易被檢測(cè)儀器等帶來的非線性所淹沒。因此，測(cè)量裝置的研制和檢測(cè)方法的研究仍然是非線性超聲無損檢測(cè)技術(shù)研究的主要方向之一。針對(duì)上述問題，提出一種利用非線性瑞利波檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用瑞利波檢測(cè)金屬材料力學(xué)性能退化的方法，特別是針對(duì)金屬板結(jié)構(gòu)早期力學(xué)性能退化的無損檢測(cè)方法。該方法可以在不破壞被測(cè)零部件的情況下，利用將發(fā)射傳感器直接安裝在試件的邊緣發(fā)射單一頻率的瑞利波，將中心頻率為發(fā)射傳感器二倍的接收傳感器直接安裝在試件的另一邊來接收瑞利波信號(hào)，對(duì)接收到的瑞利波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后獲得材料的超聲非線性系數(shù)，通過對(duì)超聲非線性系數(shù)的分析來了解材料力學(xué)性能退化的情況。
本發(fā)明提出的利用瑞利波檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的方法，其基本原理在于 由于固體介質(zhì)的非線性，單一頻率正弦超聲波將與固體介質(zhì)間產(chǎn)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生高次諧波，非線性系數(shù)β可以表征材料的非線性效應(yīng)，定義為 其中k＝ω/c為波數(shù)，ω為角頻率，c為波速，A1和A2分別為基波和二次諧波幅值，x為波傳播的距離。對(duì)于給定的頻率和樣品長(zhǎng)度，通過對(duì)基波和二次諧波幅值的測(cè)量，就可以確定材料的超聲非線性系數(shù)。金屬材料的非線性主要來自于位錯(cuò)、晶帶滑移等微觀缺陷。不同疲勞損傷程度具有不同的微觀缺陷組態(tài)，非線性系數(shù)的大小也不同，從而借助非線性系數(shù)來了解材料的早期力學(xué)性能退化情況。
本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。如圖1所示，應(yīng)用以下裝置，該裝置由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高能低通濾波器依次連接、高能低通濾波器一路連接衰減器，另一路連接被測(cè)試件，在被測(cè)試件兩端的分別安裝發(fā)射傳感器和接收傳感器，衰減器和接收傳感器連接示波器，示波器連接計(jì)算機(jī)； 各部分的功能如下 信號(hào)發(fā)生器1可根據(jù)輸入的被測(cè)試件參數(shù)和選擇的信號(hào)頻率、周期數(shù)和幅值自動(dòng)生成正弦脈沖信號(hào)。功率放大器2將信號(hào)發(fā)生器1所產(chǎn)生的波形進(jìn)行放大。高能低通濾波器3的功能則是在檢測(cè)過程中濾除由功率放大器2射頻門產(chǎn)生的6MHz以上的高頻諧波信號(hào)。被放大到280V-320V之間的高電壓發(fā)射信號(hào)通過同軸電纜一路傳至發(fā)射傳感器5，一路信號(hào)經(jīng)過衰減器4衰減后作為監(jiān)測(cè)信號(hào)輸入示波器7，通過監(jiān)測(cè)信號(hào)可以控制輸入發(fā)射傳感器信號(hào)的幅值。通過發(fā)射傳感器5發(fā)射信號(hào)被耦合入被測(cè)試件。安裝在另一側(cè)的接收傳感器6檢測(cè)通過被測(cè)試件表面?zhèn)鞑ミ^來的瑞利表面波信號(hào)，并送給示波器7進(jìn)行顯示和保存。
為了發(fā)射最強(qiáng)的信號(hào)，發(fā)射傳感器5的中心頻率和發(fā)射信號(hào)頻率一致。為了接收到最強(qiáng)的二次諧波信號(hào)，接收傳感器7的中心頻率為發(fā)射傳感器5中心頻率的2倍。發(fā)射傳感器5、接收傳感器6通過耦合劑與被測(cè)試件接觸。
為了在被測(cè)試件中有效發(fā)射瑞利波，根據(jù)Snell定律，c1sinθ2＝c2sinθ1，其中c1為入射材料的波速，c2為被測(cè)試件材料波速，θ1為入射角，θ2為折射角，當(dāng)入射角θ1達(dá)到第二臨界角時(shí)，在被測(cè)試件里發(fā)射瑞利波的效率最高。
示波器7與計(jì)算機(jī)8是負(fù)責(zé)信號(hào)的接收、顯示和處理。通過計(jì)算機(jī)8對(duì)非線性超聲信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出超聲非線性系數(shù)β，并依據(jù)β來了解被測(cè)試件的早期力學(xué)性能退化情況。
本發(fā)明提出的利用非線性瑞利波無損檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的方法是按以下步驟進(jìn)行的 1)將所選發(fā)射信號(hào)頻率、周期數(shù)等參數(shù)輸入信號(hào)發(fā)生器1生成所需單一音頻信號(hào)。根據(jù)被測(cè)試件的波速確定發(fā)射信號(hào)入射角度θ。按照選定的入射角θ，裝配發(fā)射和接收傳感器。
2)給被測(cè)試件進(jìn)行拉伸或疲勞加載，使被測(cè)試件產(chǎn)生力學(xué)性能退化。在被測(cè)試件拉伸或疲勞加載的過程中，等時(shí)間間隔采集非線性瑞利波信號(hào)。
采集非線性瑞利波信號(hào)具體步驟如下 由信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生的的單一音頻超聲信號(hào)被送至功率放大器2進(jìn)行放大后，通過高能低通濾波器3濾除由功率放大器產(chǎn)生的6MHz以上高頻諧波信號(hào)，然后該信號(hào)一路被傳至衰減器4，根據(jù)衰減器4提供的信號(hào)，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使驅(qū)動(dòng)發(fā)射傳感器信號(hào)峰峰值達(dá)到300V，并在實(shí)驗(yàn)中保持穩(wěn)定。另一路被傳輸至發(fā)射傳感器5，在被測(cè)試件中發(fā)射瑞利波。對(duì)稱安裝在另一側(cè)的接收傳感器6采集通過被測(cè)試件傳播過來的瑞利波信號(hào)，并送給示波器7進(jìn)行顯示和保存。利用計(jì)算機(jī)8對(duì)示波器7保存的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲取基波幅值A(chǔ)1和二次諧波幅值A(chǔ)2，并通過式(1)計(jì)算超聲非線性系數(shù)β，依據(jù)β來了解被測(cè)試件的早期力學(xué)性能退化情況。
3)如果試件斷裂，結(jié)束檢測(cè)。
本發(fā)明主要具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)采用將傳感器直接安裝在試件的邊緣來發(fā)射和接收瑞利波可以提高信號(hào)的發(fā)射和接收效率，減小傳感器和被測(cè)試件耦合帶來的非線性影響。(2)瑞利波具有在光滑曲面?zhèn)鞑ザ话l(fā)生反射，能量主要集中在表面而便于采集，傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以利用非線性瑞利波檢測(cè)金屬材料的力學(xué)性能退化相比與縱波有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。(3)發(fā)射接收均采用壓電傳感器相比于激光干涉儀等非接觸式測(cè)量方式對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求更低，容易適用于工程實(shí)際。(4)實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)試件的連續(xù)在線檢測(cè)。



圖1檢測(cè)裝置原理圖； 圖中1、信號(hào)發(fā)生器，2、功率放大器，3、高能低通濾波器，4、衰減器，5、發(fā)射傳感器，6、接收傳感器，7、示波器，8、計(jì)算機(jī)。
圖2檢測(cè)方法流程圖； 圖3非線性瑞利波檢測(cè)信號(hào)圖； (a)接收信號(hào)，(b)基波和二次諧波幅值 圖4疲勞周數(shù)與超聲非線性系數(shù)的關(guān)系曲線。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合圖1～圖4詳細(xì)說明本實(shí)施例。
本實(shí)驗(yàn)例中被測(cè)試件為厚6mm，長(zhǎng)150mm，寬42mm的AZ31鎂合金狗骨板件。密度為1770kg/m3，縱波波速為5763m/s。屈服極限199MPa，強(qiáng)度極限259MPa。
1)根據(jù)發(fā)射傳感器中心頻率確定發(fā)射信號(hào)頻率為5MHz，周期數(shù)為15的正弦脈沖串。一對(duì)中心頻率分別為5MHz和10MHz的Panametrics窄帶PZT超聲直探頭作為發(fā)射和接收傳感器。根據(jù)鎂合金縱波波速可確定聲波入射角為23° 2)根據(jù)圖1檢測(cè)裝置原理圖搭建檢測(cè)系統(tǒng)。利用MTS810材料疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行疲勞加載，加載應(yīng)力取屈服極限的±65％(±129MPa)，疲勞加載頻率10Hz。
3)根據(jù)衰減器4提供的信號(hào)，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使驅(qū)動(dòng)發(fā)射傳感器信號(hào)峰峰值達(dá)到300V，并在實(shí)驗(yàn)中保持穩(wěn)定。
4)首先測(cè)量未疲勞時(shí)的超聲非線性系數(shù)，然后每疲勞4000周，測(cè)量一次非線性瑞利波超聲信號(hào)。
采集非線性瑞利波信號(hào)具體步驟如下 由信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生的單一音頻超聲信號(hào)，被送至功率放大器2進(jìn)行放大后，通過高能低通濾波器3濾除由功率放大器產(chǎn)生的高頻諧波信號(hào)，然后該信號(hào)被傳輸至發(fā)射傳感器5，在被測(cè)試件中發(fā)射瑞利波。安裝在另一側(cè)的接收傳感器檢測(cè)通過被測(cè)試件傳播過來的瑞利波信號(hào)如圖3(a)所示，并送給示波器7進(jìn)行顯示和保存。利用計(jì)算機(jī)8對(duì)示波器7保存的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲取頻率在5MHz位置的基波幅值A(chǔ)1如圖3(b)所示和頻率在10MHz位置的二次諧波幅值A(chǔ)2如圖3(b)所示，并通過式(1)計(jì)算超聲非線性系數(shù)β，根據(jù)非線性系數(shù)的大小了解被測(cè)試件的早期力學(xué)性能退化情況。
5)試件在疲勞31600周斷裂，結(jié)束檢測(cè)。
所測(cè)量的未疲勞試件的超聲非線性系數(shù)用β0表示，疲勞加載的過程中在線測(cè)量的超聲非線性系數(shù)β表示，利用β/β0對(duì)超聲非線性系數(shù)進(jìn)行歸一化。得到圖4所示疲勞周數(shù)與超聲非線性系數(shù)的關(guān)系，可以看出隨疲勞周數(shù)的增加，超聲非線性系數(shù)增大。表明此方法可以檢測(cè)材料早期力學(xué)性能退化問題。
權(quán)利要求
1.利用非線性瑞利波無損檢測(cè)金屬材料早期力學(xué)性能退化的方法，其特征在于，應(yīng)用以下裝置，該裝置由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高能低通濾波器依次連接、高能低通濾波器一路連接衰減器，另一路連接被測(cè)試件，在被測(cè)試件兩端的分別安裝發(fā)射傳感器和接收傳感器，衰減器和接收傳感器連接示波器，示波器連接計(jì)算機(jī)；
按以下步驟進(jìn)行的
1)信號(hào)發(fā)生器生成單一音頻信號(hào)；根據(jù)被測(cè)試件的波速確定發(fā)射信號(hào)入射角度θ；按照入射角θ，裝配發(fā)射和接收傳感器；
2)給被測(cè)試件進(jìn)行拉伸或疲勞加載，使被測(cè)試件產(chǎn)生力學(xué)性能退化；在被測(cè)試件拉伸或疲勞加載的過程中，等時(shí)間間隔采集非線性瑞利波信號(hào)；
采集非線性瑞利波信號(hào)具體步驟如下
由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的單一音頻超聲信號(hào)被送至功率放大器進(jìn)行放大后，通過高能低通濾波器濾除由功率放大器產(chǎn)生的6MHz以上高頻諧波信號(hào)；然后該信號(hào)一路經(jīng)過衰減器衰減后作為監(jiān)測(cè)信號(hào)輸入示波器，通過監(jiān)測(cè)信號(hào)可以控制輸入發(fā)射傳感器信號(hào)的幅值；另一路被傳輸至發(fā)射傳感器，在被測(cè)試件中發(fā)射瑞利波信號(hào)；對(duì)稱安裝在另一側(cè)的接收傳感器采集通過被測(cè)試件傳播過來的瑞利波信號(hào)，并送給示波器進(jìn)行顯示和保存；利用計(jì)算機(jī)對(duì)示波器保存的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲取基波幅值A(chǔ)1和二次諧波幅值A(chǔ)2，并通過式(1)計(jì)算超聲非線性系數(shù)β，依據(jù)β來了解被測(cè)試件的早期力學(xué)性能退化情況；
式(1)
其中k＝ω/c為波數(shù)，ω為角頻率，c為波速，A1和A2分別為基波和二次諧波幅值，x為波傳播的距離；如果試件斷裂，結(jié)束檢測(cè)。
全文摘要
利用非線性瑞利波檢測(cè)材料早期力學(xué)性能退化的方法屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域。本發(fā)明步驟將所選發(fā)射信號(hào)頻率、周期數(shù)等參數(shù)輸入信號(hào)發(fā)生器生成所需單一音頻信號(hào)，根據(jù)被測(cè)試件的波速確定發(fā)射信號(hào)入射角度θ；在被測(cè)試件拉伸或疲勞加載的過程中，等時(shí)間間隔采集非線性瑞利波信號(hào)；并進(jìn)行傅里葉變換，獲取基波幅值和二次諧波幅值，計(jì)算超聲非線性系數(shù)β，依據(jù)β來了解被測(cè)試件的早期力學(xué)性能退化情況。本發(fā)明采用將傳感器直接安裝在試件的邊緣來發(fā)射和接收瑞利波可以提高信號(hào)的激發(fā)和接收效率，減小傳感器和被測(cè)試件耦合帶來的非線性影響；激勵(lì)接收均采用壓電傳感器更容易適用于工程實(shí)際；實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)試件的連續(xù)在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N29/04GK101813667SQ20101015243
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者吳斌, 顏丙生, 李佳銳, 何存富 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)