180116(李海洋修改稿 )利用非线性表面波评价材料疲劳损伤_修改查重

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1 第 38 卷第 3 期声学技术 Vol.38, No.3 09 年 6 月 Technical Acoustics Jun., 09 利用非线性表面波评价材料疲劳损伤 李海洋, 史慧扬, 王召巴 ( 中北大学信息与通信工程学院, 山西太原 03005) 摘要 : 采用非线性 Rayleigh 表面波检测方法, 实现了不同疲劳阶段下钢试样拉伸和腐蚀疲劳损伤的测试与评价 ; 基于楔块 \ 换能器激发与接收声波方式, 搭建非线性 Rayleigh 波检测系统, 测量了不同激励水平下基波幅值平方与二次谐波幅值间的线性关系以及 Rayleigh 表面波二次谐波的累积效应 ; 分别在拉伸载荷和腐蚀疲劳载荷下, 采集非线性时域信号并进行频谱分析, 测量声学非线性系数在不同疲劳阶段下变化趋势, 并分析不同疲劳载荷对钢试样声学非线性系数的影响 实验结果表明 : 超声非线性系数与疲劳周期数呈单调递增关系, 可以用声学非线性系数来表征材料的表面疲劳损伤程度 ; 相比较周期性拉伸疲劳损伤, 腐蚀疲劳试样的声学非线性系数会增大, 是由于腐蚀环境会加重实验中钢试样的疲劳损伤程度 研究成果可为疲劳损伤无损检测与评价提供一定的指导意义 关键词 : 腐蚀疲劳 ;Rayleigh 表面波 ; 非线性系数中图分类号 :O4.7;TG 文献标识码 :A 文章编号 : (09) DOI 编码 :0.6300/j.cnki A method of detecting corrosion fatigue damage based on nonlinear Rayleigh surface wave LI Hai-yang, SHI Hui-yang, WANG Zhao-ba (School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 03005, Shanxi, China) Abstract: Nonlinear detection method using Rayleigh surface wave is applied to detecting and evaluating tensile and corrosion fatigue damage of steel specimens at different fatigue stages in this work. Based on wedge/transducer method, a nonlinear detection system is built to realize excitation and reception of Rayleigh surface wave, and a linear relationship between the square of fundamental wave amplitude and the amplitude of second harmonic at different excitation levels, as well as the cumulative effect of second harmonic are measured. The curves of acoustic nonlinearity parameter at various fatigue stages are measured, and the influence of different fatigue loads on the acoustic nonlinearity parameter of steel specimens is analyzed. According to experimental data it can be seen that ultrasonic nonlinearity parameter increases monotonously with fatigue cycles, which can be used to characterize surface fatigue damage of materials. Corrosion fatigue specimen has a stronger nonlinear effect than periodic tensile fatigue specimen, which illustrates that the corrosion environment would aggravate damage of steel specimen. So, the nonlinear detection method using Rayleigh surface wave may be feasible for the non-destructive detection and evaluation of fatigue damage. Key words: corrosion fatigue; Rayleigh surface wave; nonlinear parameter 0 引言 大量研究表明, 对于承受循环载荷的金属结构, 材料早期性能退化占据了整个疲劳寿命的 80%~90% 在航空 航天 船舶等领域内钢结构工件起到重要支撑和防护作用 长期受到循环应力和腐蚀介质的作用, 导致拉伸疲劳和腐蚀疲劳成为 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (604304); 山西省高等学校科技创新项目 (0657); 山西省重点研发计划 (0603D006-); 山西省青年面上基金项目 (070D7) 作者简介 : 李海洋 (987-), 女, 黑龙江佳木斯人, 博士, 讲师, 研究方向为超声无损检测 通讯作者 : 王召巴, wangzb@nuc.edu.cn 钢结构主要失效形式 疲劳损伤往往会造成钢结构表面力学性能劣化, 一旦发生漏检就会对设备设施的安全运行造成重大威胁 非线性超声检测技术利用有限振幅声波传播过程与材料微观结构发生相互作用产生的非线性行为可以实现待测工件疲劳损伤的检测, 已经得到广泛认可和关注 [-5] 安志武等 [6] 采用纵波谐波法实现了粘接结构疲劳损伤的检测 ;XIANG Y X 等 [7] 采用非线性 Lamb 波检测技术实现了高温蠕变损伤的检测 焦敬品等 [8] 采用混频法实现了闭合裂纹的检测 相比于纵波二次谐波法 混频检测方法等非线性声学检测方法,Rayleigh 波具有能量主要集中在结构表面 传播距离远等优点, 只需要在待测工件一侧放置激发和接收换能器即可实现待测工件表

2 第 3 期李海洋等 : 利用非线性表面波评价材料疲劳损伤 97 面损伤的评价, 适用于钢材表面腐蚀疲劳损伤的检测 非线性 Rayleigh 表面波声学检测法对待测工件疲劳损伤的检测与评价已经取得了一定的成果 颜丙生等 [9] 等对镁合金厚板表面进行了疲劳损伤方面的研究 GUO S F 等 [0] 税国双等 [-] 采用激光干涉仪接收的非接触方法, 测量了固体火箭表面涂层的非线性系数 HERRMANN J 等 [3] 实现了镍基合金表面损伤的检测, 并推导了一维非线性 Rayleigh 波位移公式 ZEITVOGEL D T 等 [4] 利用空气耦合的超声接收方法, 实现了待测材料非线性评价 高翠翠等 [5] 李海洋等 [6-7] 利用声学非线性 Rayleigh 波对材料的疲劳损伤进行了研究 但对于钢材腐蚀疲劳检测与评价, 非线性 Rayleigh 波无损检测技术尚存在继续研究的空间 因此, 本文采用楔块 / 换能器激发与接收方式, 搭建了非线性 Rayleigh 波检测平台, 测量了不同疲劳寿命阶段下拉伸疲劳损伤与腐蚀疲劳损伤钢材试样的相对非线性系数变化, 并对比两种损伤下非线性系数不同特点, 实现了钢材拉伸疲劳与腐蚀疲劳损伤的检测与评价 研究结果可为非线性声学检测技术的工业推广和应用提供实验经验和依据 Rayleigh 表面波的非线性系数 固体介质非线性一般通过高阶弹性常数来表征 单一频率的超声波在固体介质中传播时, 会与该介质发生非线性作用导致声波时域波形畸变, 体 [9] 现在频域中出现高次谐波分量 固体介质的非线性来源主要有两类 :() 固体介质固有的晶格非谐和性 ;() 源自于位错 滑移带等晶格缺陷引起的 [] 非线性 定义固体介质的非线性系数为 3 =- K + β K K 3 () 式中, K 和 K 3 分别为传播介质的二阶和三阶弹性常数 由式 () 可知, 非线性系数与三阶弹性常数相关 材料早期力学性能的退化往往伴随着高阶弹性常数的变化, 进而可采用非线性系数评价材料的疲劳损伤 在各向同性固体材料中, 采用 Rayleigh 表面波作为检测波型, 且在一维传播情况下,HERMANN [3] J 求解非线性系数表达式为 8A cl cl cr β= ω AX ( c c ) S R () 其中,X 为声波传播距离,ω 为声波的角频率, R c L 和 c S 分别为 Rayleigh 表面波 纵波和横波的声速, A 和 A 分别为基波幅值和二次谐波幅值 c 在实际检测实验过程中, 入射声波的频率和传播距离是不变的, 所以可将式 () 进一步简化为相对非线性系数 β : β =A A (3) 由式 (3) 可知, 只需要测量基波与二次谐波的幅值, 就可以计算相对非线性系数 实验检测系统及样品制备. 实验装置本文基于楔块 / 换能器法激发和接收非线性声波, 搭建了非线性超声检测系统 该实验系统采用周期数为 0 且激励信号的中心频率为 5 MHz 的 tone-burst 脉冲信号, 并经过高能匹配电阻和 5 MHz 低通滤波器, 作用在纵波发射换能器上, 经楔块产生波型转换, 在样品表面生成 Rayleigh 表面波, 最终被接收楔块 / 换能器接收 由于二次谐波幅值较弱, 易被淹没在系统噪声中, 在接收前需要经过 0 MHz 的高通滤波器和放大量为 0 db 的信号放大器放大, 以增强二次谐波的接收信噪比 实验框图和实验平台分别如图 和图 所示 发射换能器和接收换能器的频谱图如图 3(a) 和 3(b) 所示, 发射 图 试验框图 Fig. Test block diagram 图 试验平台 Fig. Test platform

3 98 声学技术 09 年 (a) 样品几何尺寸 (a) 发射换能器 (b) 接收换能器图 3 发射和接收换能器的频率响应曲线 Fig.3 The frequency response curves of transmitting and receiving transducers 换能器的中心频率为 5 MHz, 带宽为.5 MHz, 该频谱特性会对实验系统的产生二次谐波信号起到抑制作用 ; 接收换能器的中心频率为 0 MHz, 带宽为 5 MHz, 可实现二次谐波信号的有效接收, 部分抑制其他频段噪声信号对二次谐波信号的影响. 样品的制备 采用 Q35 钢作为实验材料, 制作两块试样, 分别编号为 试样的几何尺寸图如图 4(a) 所示 采用高周疲劳方法制作腐蚀疲劳损伤和拉伸疲劳损伤的样品, 其中腐蚀损伤采用浸泡法制作 在试样 和 分别加载正弦交变拉伸载荷, 其疲劳频率为 0 Hz, 中心线为 0 kn, 振幅为 6 kn 其中试样 加载拉伸载荷前, 采用腐蚀介质浓度为 0% 的盐水浸泡, 浸泡时间为 0 天 因此, 号试样为拉伸疲劳试样, 号为腐蚀疲劳试样 ( 样品腐蚀后如图 4(b) 所示 ) 3 实验结果 3. 不同激励电信号对实验结果的影响 在不同激励电信号水平下, 非线性声学检测系 (b) 腐蚀样品图 4 实验样品 Fig.4 The experimental specimen 统测量基波幅值和二次谐波幅值关系 由式 () 可知, 非线性系数与激励电信号能量大小无关, 并且基波幅值平方与二次谐波幅值成线性关系, 由此可判断实验测量的非线性来源于固体材料本身 改变激励电信号 0~70 dips(dips 是以输出最小电压为归一化电压的单位 ), 在完好样品上测量相同传播距离 下 Rayleigh 波信号的基频幅值的平方 A 和二次谐波幅值 A, 实验数据如图 5 所示 实验数据表明基 波幅值的平方 A 与二次谐波幅值 A 之间呈线性关系, 与式 () 分析相符合 由此可知, 本文搭建的非线性声学检测平台的测量结果是可靠的 图 5 基波幅值的平方 A 与二次谐波幅值 A 之间的关系 Fig.5 The relationship between the square of fundamental amplitude A and the amplitude of second harmonic A 3. Rayleigh 表面波二次谐波幅值的累积效应 非线性声波二次谐波在声波传播方向上具有 距离累积效应 [3] 利用上述实验平台对完好样品在不同传播距离下 Rayleigh 波的二次谐波幅值进行测 量 在 ~ cm 之间的测量间隔为 0.5 cm, 在 ~5 cm 之间的测量间隔为 cm 测量 Rayleigh 波基波和谐波叠加的幅值如表 所示, 二次谐波幅值与传播距离之间的关系如图 6 所示 从图 6 中可知, 传播距离为 ~6 cm 时, 二次

4 第 3 期李海洋等 : 利用非线性表面波评价材料疲劳损伤 99 表 Rayleigh 波幅值与距离关系 Table The relationship between Rayleigh wave amplitude and propagation distance 距离 /cm 幅值 /V 图 6 试件中 Rayleigh 波的二次谐波幅值与传播距离之间的关系 Fig.6 The relationship between the amplitude of second harmonic and the propagation distance of Rayleigh wave (b) 二次谐波的时域波形图 7 基波和二次谐波的时域波形图 Fig.7 Time domain waveforms of fundamental wave and second harmonic 谐波幅值是震荡的, 具有不稳定性, 这是由于换能器的近场效应引起的 ; 传播距离为 6~5 cm 时, 由于远离换能器的近场影响, 二次谐波幅值随着传播距离增加而增大, 与传播距离近似为线性关系 由此可见, 在实际测量过程中应保证激发换能器和接收换能器距离在 6 cm 以上, 以避免换能器近场效应对检测结果的影响 此外, 由表 可知, 接收换能器接收到声信号幅值受到距离的影响不明显, 因此在本文不考虑传播距离对声波衰减的作用 3.3 相对非线性系数测量 基于上述非线性 Rayleigh 表面波的检测平台, 对基波和二次谐波进行采集, 其时域下的信号波形如图 7 所示 对采集到的基波和二次谐波的时域信号进行快速傅里叶变换, 得到两者的频谱如图 8 所示 将求得基波幅值和二次谐波幅值代入式 (3) 可得到相对非线性系数 β 激励电压为 60 dips ( 满足图 5 中线性关系 ) 时, 图 8 基波和二次谐波的频谱 Fig.8 Spectrums of fundamental wave and second harmonic 测量不同疲劳阶段下非线性参数的变化趋势 首先测量原始材料的相对非线性系数 β 0, 然后疲劳周期数每 0 万次停止疲劳加载, 测量疲劳试件的相对非线性系数 β 重复上述步骤, 直至加载到 50 万次为止, 同时每次测量重复 3 次, 以减少系统噪声对实验结果的影响 采用归一化处理后的相对声学非线性系数 β/ β 0 对具有疲劳损伤的样品进行评价, 得到了声学非线性系数与样品疲劳周期数之间的关系如图 9 所示 (a) 基波的时域波形 图 9 归一化相对非线性系数与疲劳周期的关系 Fig.9 The relationship between normalized relative nonlinear parameter and fatigue cycle

5 300 声学技术 09 年 由图 9 可知, 号试样和 号试样的相对非线性声学系数都随着疲劳周数的增加呈单调增长趋势, 且都在疲劳周数在 40 万次后基本保持不变 ; 在总体疲劳寿命内, 号腐蚀疲劳试样的非线性系数总是大于 号拉伸疲劳试样的非线性系数 实验结果表明 : 非线性系数与疲劳周期数具有单调递增关系, 可评价待测样品疲劳损伤 ; 相对比拉伸疲劳损伤, 腐蚀疲劳试样具有更大的非线性系数 4 结论 通过文中的测试和分析得出以下结论 : () 该非线性声学检测平台测量的声学非线性来源于待测样品本身, 且在检测过程中激励换能器与接收换能器的距离应保持在 6 cm 以上, 以避免换能器近场对测量结果造成影响 ; () 测量了不同疲劳周数下 Q35 钢试样的声学非线性系数, 声学非线性系数与试样疲劳周数呈现单调递增的结果 ; 腐蚀疲劳后的试样具有更高的声学非线性效应, 含有腐蚀介质的腐蚀环境加剧了试样的疲劳损伤程度 利用声学非线性系数来表征材料的疲劳损伤程度的变化情况是可行的 参考文献 [] HHANG K A.Application of nonlinear Ultrasonics to the NDE of Material Degradation[J]. IEEE-UFFC, 000, 47(3): [] HIKATA A, CHICK B B, ELBAUM C.Dislocation contribution to the second harmonic generation of ultrasonic waves[j].journal of Applied Physics, 965, 36(): [3] CANTRELL J H, YOST W T. Acoustic harmonic generation from fatigue-induced dislocation diploles[j]. Philosophical Magazine A, 994, 69(): [4] 郗敬宇. 金属粘接界面固化性能和冲击疲劳损伤的非线性超声实验研究 [D]. 北京 : 北京交通大学, 03. XI Jingyu. Nonlinear ultrasonic experimental research on the metal bonding interface s curing properties and impact fatigue damage[d]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 03. [5] 李海洋, 安志武, 廉国选, 等. 粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型 [J]. 声学学报, 05, 40(): LI Haiyang, AN Zhiwu, LIAN Guoxuan, et al. A probability model for ultrasonic nonlinear effects of rough contact interface[j]. Acta Acustica, 05, 40(): [6] 安志武, 王小民, 毛捷, 等. 粘接界面的非线性弹簧模型 [C]// 中国 声学学会青年学术会议, 0. AN Zhiwu, WANG Xiaoming, MAO Jie, et al. Nonlinear Spring Model for Bonding Interface[C]//The Chinese Acoustic Society of the Youth Academic Conference, 0. [7] XIANG Y X, XUAN F Z, DENG M X. Evaluation of thermal degradation induced material damage using nonlinear lamb waves[j]. Chinese Physics Letters, 00, 7(): [8] 焦敬品, 樊仲祥, 吴斌, 等. 闭合裂纹非共线混频超声检测试验研究 [J]. 声学学报, 07, 4(): JIAO Jingpin, FAN Zhongxiang, WU Bin, et al. Experiments of non-collinear mixed frequency ultrasonic for closed crack detection[j]. Acta Acustica, 07, 4(): [9] 颜丙生, 吴斌, 何存富. 利用非线性 Rayleigh 波检镁合金厚板疲劳损伤的仿真和试验研究 [J]. 机械工程报, 0, 47(8): 7-4. YAN Bingsheng, WU Bin, HE Cunfu. Simulation and experiment of fatigue damage detection in magnesium thick plate using nonlinear Rayleigh wave[j]. Journal of Mechanical Engineering, 0, 47(8): 7-4. [0] GUO S F, ZHANG L, MIRSHEKARLOO M S, et al.method and analysis for determining yielding of titanium alloy with nonlinear Rayleigh surface waves[j]. Materials Science & Engineering A, 06, 669: [] 税国双, 汪越胜, 曲建民, 等. 利用直接激发 Rayleigh 表面波的方法测量材料的声学非线性系数 [J]. 声学学报, 008, 33(4): SHUI Guoshuang, WANG Yuesheng, QU Jianmin, et al. Evaluation of the acoustic nonlinearity parameter of materials with Rayleigh waves excited directly[j]. Acta Acustica, 008, 33(4): [] 税国双, 汪越胜, 曲建民. 金属材料表面涂层损伤的非线性声评价 [J]. 固体火箭技术, 0, 35(5): SHUI Guoshuang, WANG Yuesheng, QU Jianmin. A method for nonlinear ultransonic evaluation of coating damage on metallic material[j]. Solid Rocket Technology, 0, 35(5): [3] HERRMANN J, KIM J Y, JACOBS L J, et al. Assessment of material damage in a nickel-base superalloy using nonlinear Rayleigh surface waves[j]. Journal of Applied Physics, 006, 99(): [4] ZEITVOGEL D T, MATLACK K H, KIM J Y, et al. Characterization of stress corrosion cracking in carbon steel using nonlinear Rayleigh surface waves[j]. Ndt & E International, 04, 6(): [5] 高翠翠, 李海洋, 史慧扬, 等. 针对腐蚀疲劳损伤的非线性 Rayleigh 波检测技术研究 [C]//07 年西安 - 上海声学学会第五届声学学术交流会议论文集, 07. [6] 李海洋, 潘强华, 王召巴. 金属表面疲劳损伤的非线性 Rayleigh 波检测方法 [J]. 无损检测, 08, 40(8): LI Haiyang, PAN Qianghua, WANG Zhaoba. Nonlinear Rayleigh wave detection method for metal surface fatigue damage[j]. Nondestructive Testing, 08, 40(8): [7] 李海洋, 高翠翠, 史慧杨, 等. Q35 钢疲劳损伤的非线性 Rayleigh 波检测技术研究 [J]. 中国测试, 08, 37(4): LI Haiyang, GAO Cuicui, SHI Huiyang, et al. Study of nonlinear Rayleigh wave detection technique for fatigue damage in Q35 steel[j]. China Measurement & Test, 08, 37(4):

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