铝合金疲劳损伤的非线性超声评价

摘要

6082铝合金的耐腐蚀性能与焊接性能良好，具备中等强度，在结构工程与轨道交通运输等行业应用广泛。工程构件在实际应用中，经常承受循环应力或应变加载，使其产生微塑性变形累积损伤，微裂纹萌生，最终导致构件断裂失效，使工程构件的安全运行受到严重威胁。因此，对铝合金早期阶段的疲劳损伤进行无损评价与表征，具有理论意义和工程应用价值。 本文以6082铝合金为对象，通过设计实施经历不同循环加载周次的拉伸疲劳试验，获得代表不同疲劳损伤程度的试样。采用RAM-5000高能超声测量系统搭建了超声检测平台，确定了非线性超声实验的参数，测量了不同疲劳损伤程度试样的超声波声速、衰减系数与二阶超声非线性参数，分析了其表征疲劳损伤的敏感性。研究结果表明：超声波声速与衰减系数随6082铝合金疲劳寿命的增加，变化并不明显，声速的相对变化量为1.36%，疲劳损伤试样衰减系数的相对变化量为5.01%，超声波声速与衰减系数并不能有效地表征6082铝合金的疲劳损伤程度；而归一化超声非线性参数随6082铝合金疲劳寿命的增加呈现先增加后下降的变化趋势，在疲劳寿命的68.7%之前，归一化超声非线性参数增加明显，最大变化量较原始试样增加43%，二阶超声非线性参数可以用来表征6082铝合金的早期疲劳损伤，其最大值可以作为材料疲劳损伤到一定程度的参照值。 同时利用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）、透射电子显微镜（Transmission electron microscope，TEM）对不同疲劳损伤程度的6082铝合金试样进行了位错密度的计算与位错微结构的观察与分析，建立了位错密度变化和材料损伤演变过程与非线性参数变化的依存关系，在疲劳寿命68.7%之前，二阶超声非线性参数的变化与材料内位错密度的变化呈正相关，表明材料内位错密度的变化是引起6082铝合金疲劳损伤早期超声非线性响应增加的主要原因。分析TEM照片，原始试样为平面位错结构，位错线很少，随着疲劳损伤程度的增加，位错线逐渐增多，位错密度增大，开始出现位错缠结，并逐步形成位错墙结构，在非线性参数达到最大值时，演化为成熟的位错胞结构。通过扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）对疲劳损伤试样进行观察，发现在疲劳寿命68.7%之后，试样中出现了疲劳裂纹，使有限振幅声波在其传播过程中的衰减增大，并且二次谐波的衰减大于基波衰减，导致超声非线性参数的下降。

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摘 要

6082铝合金的耐腐蚀性能与焊接性能良好，具备中等强度，在结构工程与轨道交通运输等行业应用广泛。工程

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 疲劳损伤表征的研究现状

1.2.1 疲劳损伤概述

1.2.2 疲劳损伤线性超声研究现状

1.2.3 疲劳损伤非线性超声研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 非线性超声检测的理论基础

2.1 非线性超声理论

2.1.1 材料非线性

2.1.2 超声波在非线性介质中的传播

2.2 位错非线性超声理论模型

2.2.1 位错弦理论模型

2.2.2 位错偶理论模型

2.3 裂纹非线性超声理论

2.4 疲劳损伤产生超声非线性的机理

2.5 本章小结

3 6082铝合金疲劳损伤程度的表征

铝及其合金具有密度小、比强度高、抗冲击性能优良、耐腐蚀、高导电、高导热、良好的加工成型性等一系列优良

3.1 疲劳样品的制备

3.1.1 实验材料

3.1.2 拉伸实验

3.1.3 疲劳实验

3.2 声速与衰减系数的测量

3.2.1 实验方法

3.2.2 实验结果分析

3.3 超声非线性参数测量

3.3.1 非线性超声测量系统

3.3.2 实验参数的选择

3.3.3 非线性超声参数测量结果

3.4 本章小结

4 微观组织结构观察与分析

非线性超声参数是建立宏观材料性质与微观结构变化的有力工具。通过上一章的研究可知，6082铝合金归一化

4.1 疲劳循环后位错密度的变化

4.1.1 XRD-WH方法

4.1.2 位错密度的变化

4.2 位错结构观察

4.2.1 TEM样品制备

4.2.2 位错微结构分析

4.3 疲劳裂纹观察与分析

4.4 疲劳断口分析

4.4.1 宏观形貌

4.4.2 微观形貌

4.5 疲劳损伤与超声非线性响应的微观机制探讨

4.6 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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