金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测方法

摘要

金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测方法属于无损检测领域。本发明步骤：根据被测试件的厚度确定激励信号参数并输入任意函数发生器生成单一音频信号；根据空载时的噪声信号幅值确定声发射仪门槛值；给被测试件进行疲劳加载，由声发射传感器连续实时检测声发射信号，放大后输入声发射仪，当声发射信号幅值超过声发射仪预设的门槛值，声发射仪判定振铃；如果声发射仪没有显示振铃或连续振铃次数没有超过经验值，则等时间间隔检测非线性超声信号；如果显示连续振铃次数超过了经验值，表明有疲劳裂纹萌生和发展，结束检测。本发明在非线性超声无损检测的基础上引入声发射技术在检测金属材料的早期疲劳损伤时不会出现误判；实现了连续在线检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用非线性超声和声发射技术无损检测金属材料疲劳早期损伤的方法，属于无损检测领域。

背景技术

机械零部件由于疲劳而断裂失效是一种非常普遍的现象，据估计，大约70％以上的机械零部件失效是由疲劳损伤所引起的。在外载荷的作用下，金属零部件的疲劳寿命一般可分为三个阶段：早期的力学性能退化(位错群的大量产生以及驻留滑移带和微裂纹的形成)、损伤的起始与积累(微裂纹的成核长大和宏观裂纹的产生)以及最后的断裂失效。对于设计良好的结构元件来说，第一阶段一般占金属零部件整个疲劳寿命的60％～80％。因此，发展金属材料早期力学性能退化的有效检测和评价手段就显的十分重要。现有的超声无损检测技术利用波的时程、声速和衰减等线性物理参数已经可以对构件寿命的第二和第三阶段进行有效的检测和评估。但是，上述线性物理参数对材料和结构早期力学性能退化很不敏感。

非线性超声无损检测方法利用声波在金属材料中传播时的非线性效应(即波形畸变、谐波产生等)可以对材料的早期疲劳损伤进行检测。在疲劳早期，非线性系数β随疲劳周数的增加而增大。但在疲劳后期由于疲劳裂纹的大量出现，β反而减小，且分散性增大，如果单独利用非线性超声方法对疲劳早期损伤进行检测，容易出现误判。声发射技术作为一种“被动”探伤技术，可以通过对疲劳声发射信号的分析处理对疲劳裂纹进行连续监测，但声发射技术不能检测疲劳裂纹出现前的金属材料早期疲劳损伤情况。为解决这一问题，采用非线性超声和声发射技术共同检测金属材料零部件的早期疲劳损伤。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可靠的金属材料疲劳损伤检测方法，特别是针对疲劳早期损伤的无损检测方法。该方法可以在不破坏被测零部件的情况下，利用非线性超声和声发射技术的配合有效检测金属零部件的疲劳损伤。

本发明提出的基于非线性超声和声发射技术无损检测金属材料早期疲劳损伤的方法，其基本原理在于：

由于固体介质的非线性，单一频率正弦超声波将与固体介质间产生非线性相互作用，从而产生高次谐波，非线性系数β可以表征材料的非线性效应，定义为：

$\beta =8\left(\frac{A_2}{A_1^2}\right)\frac{1}{k^{2}x}---\left(1\right)$

其中k＝ω/c为波数，ω为角频率，c为波速，A₁和A₂分别为基波和二次谐波幅值，为波传播的距离。对于给定的频率和样品长度，通过对基波和二次谐波幅值的测量，就可以确定材料的超声非线性系数。金属材料的非线性主要来自于位错、晶带滑移等微观缺陷。不同疲劳损伤程度具有不同的微观缺陷组态，非线性系数的大小也不同，从而借助非线性系数来了解材料的早期疲劳损伤情况。

如图5所示，在疲劳早期，非线性系数β随疲劳周数的增加而增大。但在疲劳后期由于疲劳裂纹的大量出现，β反而减小，且分散性增大，如果单独利用非线性超声方法对金属材料的早期疲劳损伤进行检测，容易出现误判。例如，图5中所示疲劳周数为12000周和29000周时的超声非线性系数近似相等，这样仅根据β的值将无法判断金属材料所处的疲劳阶段。

声发射(Acoustic Emission，简称AE)又称应力波发射，是指材料或物体内部因内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段或有裂纹形成和扩展、断裂时快速释放出应变能而产生瞬态应力波的现象。声发射技术是用仪器检测、记录、分析声发射信号并利用声发射信号推断声发射源的技术，它是检测材料内微观过程(即裂纹开裂、扩展)的非常灵敏的技术。因为声发射信号来自材料本身的缺陷，是一种“被动”探伤技术，可以长期连续地在役监测工程结构主要部位缺陷的发展变化，对服役的工程结构几乎不会造成什么影响和妨碍。但声发射技术无法对产生疲劳裂纹前的早期阶段进行检测。

因此可以利用声发射技术监测疲劳裂纹的萌生和发展，非线性超声技术检测疲劳的早期阶段，即能解决非线性超声检测疲劳损伤的误判问题，又可以实现对金属材料零部件的疲劳全过程检测。

本发明采用如下的技术方案。本装置主要包括非线性超声检测模块和声发射监测模块。如图1所示，非线性超声检测模块主要有任意函数发生器1、功率放大器2、高能低通滤波器3、激励传感器4、接收传感器5、示波器6和计算机10；声发射监测模块主要有声发射传感器7、声发射前置放大器即AE前置放大器8、声发射仪9和计算机10。

各模块的功能如下：

非线性超声检测模块中任意函数发生器1可根据输入的被测试件参数和选择的激励频率、周期数和幅值自动生成Tone burst激励信号。功率放大器2将任意函数发生器1所产生的波形进行信号放大。高能低通滤波器3的功能则是在检测过程中滤除由功率放大器2射频门产生的高频谐波信号。被放大的300V左右的高电压激励信号通过同轴电缆传至纵波激励传感器4。通过激励传感器4激励信号被耦合入被测试件。安装在另一侧的接收传感器5检测通过被测试件透射过来的弱电压超声信号，并送给示波器6进行显示和保存。

声发射监测模块中声发射传感器7可以采集由被测试件产生的声发射信号。声发射信号经过AE前置放大器8放大后送入声发射仪9进行信号处理，当声发射信号幅值超过声发射仪预设的门槛值，声发射仪判定振铃。

为了激励最强的信号，激励传感器4的中心频率和激励信号频率一致。为了接收到最强的二次谐波信号，接收传感器5的中心频率为激励传感器4中心频率的2倍。激励传感器4、接收传感器5和声发射传感器7通过耦合剂如凡士林等与被测试件接触。

示波器6与计算机10是负责信号的接收、显示和处理。通过计算机10对声发射信号的处理和分析，可以判定疲劳裂纹是否出现。通过计算机10对非线性超声信号进行处理，计算出超声非线性系数β，并依据β来了解被测试件的早期疲劳损伤情况。

本发明提出的非线性超声和声发射检测方法是按以下步骤进行的：

1)根据被测试件的厚度确定激励信号周期数、频率和幅值，为了减少仪器和随机因素产生的谐波干扰，取试件在厚度方向所能容纳的不与接收信号重叠的最大周期数作为正弦脉冲串信号周期数。将所选激励信号参数输入任意函数发生器1生成所需单一音频信号。根据空载时的噪声信号幅值确定声发射仪门槛值。

2)根据图1所示搭建检测系统。

3)给被测试件进行疲劳加载，在被测试件疲劳过程中，由声发射传感器7连续实时检测声发射信号，并将声发射信号经由AE前置放大器8放大后输入声发射仪9进行处理分析，当声发射信号幅值超过声发射仪9预设的门槛值，声发射仪判定振铃。最终将数据存入计算机。

4)如果声发射仪9没有显示振铃或连续振铃次数没有超过实验确定的经验值，则等时间间隔检测非线性超声信号。

具体步骤如下：

由函数发生器1产生的单一音频超声信号被送至功率放大器2进行放大后，通过高能低通滤波器3滤除由功率放大器产生的高频谐波信号，然后该信号被传输至激励传感器4，在被测试件中激励纵向超声波。安装在另一侧的接收传感器5检测通过被测试件透射过来的弱电压超声信号，并送给示波器6进行显示和保存。利用计算机10对示波器6保存的信号进行傅里叶变换，获取基波幅值A₁和二次谐波幅值A₂，并通过式(1)计算超声非线性系数β，依据β来了解被测试件的早期疲劳损伤情况。

每隔一定时间重复上述步骤来检测非线性超声信号。

5)如果声发射仪9显示连续振铃次数超过了实验确定的经验值，表明有疲劳裂纹萌生和发展，结束检测。

本发明主要具有以下优点：(1)在非线性超声无损检测的基础上引入声发射技术使非线性超声在检测金属材料的早期疲劳损伤时不会出现误判；(2)采用非线性超声和声发射技术可以实现对金属材料零部件的疲劳全过程检测；(3)实现了对被测试件的连续在线检测。

附图说明

图1检测装置原理图；

图中：1、函数发生器，2、功率放大器，3、高能低通滤波器，4、激励传感器，5、接收传感器，6、示波器，7、声发射传感器，8、AE前置放大器，9、声发射仪，10、计算机。

图2检测方法流程图；

图3被测试件尺寸示意图；

图4非线性超声检测信号图；

(a)激励信号，(b)接收信号，(c)基波幅值，(d)二次谐波幅值

图5非线性系数和疲劳周数关系曲线；

具体实施方式

下面结合图1～图5详细说明本实施例。

如图3所示，本实验例中被测试件为厚7.5mm，长150mm的AZ31镁合金狗骨板件。密度为1770kg/m³，纵波波速为5763m/s。屈服极限199MPa，强度极限259MPa。

1)根据激励传感器中心频率确定激励信号频率为5MHz，为了减少仪器和随机因素产生的谐波干扰，取试件在厚度方向所能容纳的不与接收信号重叠的最大周期数作为正弦脉冲串信号周期数，如图4(a)所示。一对中心频率分别为5MHz和10MHz的Panametrics窄带PZT超声探头作为激励和接收传感器。

2)选用R15声发射传感器和LOCAN320声发射仪。根据空载时的噪声信号幅值确定声发射仪门槛值为40dB。声发射信号幅值超过40dB，声发射仪就判定振铃，根据实验经验如果发生5次连续振铃则认为试件已萌生疲劳裂纹。

3)根据图1检测装置原理图搭建检测系统。利用MTS810材料疲劳实验机对被测试件进行疲劳加载，加载应力取屈服极限的±65％(±129MPa)，疲劳频率10Hz。

4)由声发射传感器7连续实时检测声发射信号，并将声发射信号经由AE前置放大器8放大后输入声发射仪9进行处理分析，当声发射信号幅值超过40dB时声发射仪9判定振铃。最终将数据存入计算机。

5)如果声发射仪9没有显示振铃或连续振铃次数没有超过5次，则被测试件每疲劳300周检测一次非线性超声信号。

具体步骤如下：

由函数发生器1产生的单一音频超声信号如图4(a)所示，被送至功率放大器2进行放大后，通过高能低通滤波器3滤除由功率放大器产生的高频谐波信号，然后该信号被传输至激励传感器4，在被测试件中激励纵向超声波。安装在另一侧的接收传感器5检测通过被测试件透射过来的弱电压超声信号如图4(b)所示，并送给示波器6进行显示和保存。利用计算机10对示波器6保存的信号进行傅里叶变换，获取频率在5MHz位置的基波幅值A₁如图4(c)所示和频率在10MHz位置的二次谐波幅值A₂如图4(d)所示，并通过式(1)计算超声非线性系数β，绘出如图5所示的非线性系数和疲劳周数关系曲线。根据此曲线了解被测试件的早期疲劳损伤情况。

6)如果声发射仪9连续振铃次数超过5次，结束检测。