U71Mn钢焊接接头疲劳损伤的非线性超声检测

摘要

焊接作为常用的连接手段，广泛应用于航空、高速列车、桥梁建设以及汽车制造等工业领域中。焊接质量优异的接头在承受交变载荷时，也会产生疲劳损伤，危及焊接结构的使用。目前对焊接接头的疲劳寿命进行预测需要通过复杂的计算才能实现，不能直接检测材料内部的疲劳损伤。与常规疲劳预测方法相比，非线性超声检测技术使用相对简单，能够直观地表征材料中的疲劳损伤。但是现阶段焊接接头的非线性超声机理研究与结构疲劳损伤检测的研究还处于起步阶段，实际应用中缺乏完整的疲劳寿命预测模型，特别是裂纹扩展过程中的非线性超声响应模型，目前还需要进一步的完善。因此，焊接接头疲劳损伤区域中非线性超声响应特征的提取及相关研究，已成为目前研究人员重点关注的课题。
　　本文基于固体中超声波波动理论，以U71Mn钢为试验材料，推导出沿立方晶体内部不同方向传播的超声波波动方程，选取了非线性检测的波型，获得了检测中所使用的非线性系数的表达式；同时推导出非线性系数与材料损伤之间的关系，为非线性超声检测技术用于疲劳损伤表征提供了理论依据。
　　基于位错理论下损伤与非线性系数之间的关系，利用有限振幅超声波穿透单个或多个位错时产生的非线性效应，建立了位错组织与超声波之间的非线性效应模型。结合TEM观察的疲劳区域结构组织形貌，对U71Mn钢试件低频加载后非线性系数的变化进行了理论解释，研究表明，疲劳初期的损伤与非线性系数呈单调关系，非线性系数增加的主要原因是疲劳区域中位错弦的拉长与位错密度的上升。
　　探讨了有限振幅超声波与裂纹之间的相互作用，解释了二次谐波的产生原理。通过改变激励信号幅值或作用于裂纹界面的加载力，研究了裂纹的不同闭合状态对非线性系数的影响。研究结果表明，有限振幅超声波信号幅值越高，其在裂纹界面由拉/压效应产生的非线性效应越强；裂纹的闭合面积越大，有限振幅超声波通过后产生的非线性效应越强；而宏观裂纹的出现会降低超声波的透射率，将会减弱非线性效应。结合以上三点分析，疲劳中后期产生的损伤与非线性系数将呈非单调关系；第一阶段非线性系数增加主要是由于微裂纹的萌生与生长，而第二阶段非线性系数下降的原因是宏观裂纹的形成。
　　非线性检测中有限振幅波以不同入射角度通过疲劳区域时，产生的非线性效应也将不同。本文采用端面入射法、直入射法与斜入射法提取了承受疲劳载荷U71Mn钢试件中的非线性系数。研究表明，斜入射法既能保证声波与疲劳损伤区的相互作用，又对不同的焊接接头有较好的适应性，可以获得较好的非线性超声测试结果。
　　通过透射电镜与金相显微镜观察不同低频疲劳加载次数U71Mn钢母材试件中的组织形貌，将材料的损伤与提取的非线性系数进行关联，建立了疲劳加载次数与非线性系数的关系曲线（β~N曲线）。发现位错弦拉长与位错密度增加造成了非线性系数的升高（5万次前TEM形貌）；微裂纹的出现使非线性系数进一步升高（5-11万次间金相照片）；而宏观裂纹的扩展将引起非线性系数下降（11万次加载后金相照片）。
　　利用HHT技术处理了穿透焊接接头试件疲劳区域的超声信号，结合位错与裂纹的理论分析，将β~N曲线划分为三个阶段。第Ⅰ阶段非线性系数呈缓慢线性上升趋势，对应疲劳初期应力集中与位错增殖期（6万次前）；第Ⅱ阶段非线性系数呈快速线性上升趋势，对应了疲劳过程中裂纹萌生（6-8万次）及闭合裂纹产生（6-11万次）阶段；第Ⅲ阶段非线性系数呈快速下降趋势（11万次后），对应了疲劳过程中的宏观裂纹产生及生长阶段。通过二次加载的方式，利用实验获得的β~N曲线预测了U71Mn钢焊接接头试件的剩余疲劳寿命，平均预测误差不超过20％，最低预测误差可达到4.63%。以上研究结果表明，利用β~N曲线能够表征疲劳加载中由位错出现到裂纹形成，最终失稳扩展的整个损伤过程，完成了一定条件下U71Mn钢焊接接头剩余疲劳寿命的预测。
　　为了拓宽非线性超声检测技术在工业中的使用范围，降低非线性检测的成本，利用脉冲反转法信号处理技术简化了非线性超声检测系统。结果表明，在不使用硬件滤波的条件下，利用该方法也可以有效地提取通过焊接接头疲劳区域超声信号中二次谐波的幅值，获得相应的非线性系数及β~N曲线。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 疲劳寿命预测技术的发展

1.3 非线性超声检测技术国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 试验材料及设备

2.1 引言

2.2 试样制备

2.3 非线性超声检测系统

2.4 本章小结

第3章 U71Mn钢疲劳损伤非线性超声检测理论研究

3.1 引言

3.2 U71Mn钢内非线性超声波传播行为研究

3.3 疲劳初期位错对非线性系数的影响

3.4 裂纹对非线性系数的影响

3.5 本章小结

第4章 U71Mn钢母材疲劳损伤的非线性超声检测研究

4.1 引言

4.2 疲劳加载与非线性测试方法

4.3 非线性超声检测实验研究

4.4 疲劳损伤的线性超声检测研究

4.5 本章小结

第5章 U71Mn钢焊接接头疲劳损伤非线性超声检测技术的改进

5.1 引言

5.2 焊接接头的非线性超声检测

5.3 希尔伯特黄变换在非线性超声检测中的应用

5.4 焊接接头疲劳寿命的预测

5.5 脉冲反转非线性超声检测技术

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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