金属表面疲劳损伤的非线性Rayleigh波检测方法

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(1.中北大学 信息与通信工程学院，太原 030051;2.中国特种设备检测研究院， 北京 100029)

材料的寿命一般可分为早期性能退化、损伤起始与积累以及最后断裂失效3个阶段，其中第一阶段占了金属工件整个疲劳寿命的80%～90%[1-3]。金属工件疲劳寿命的检测与评价一直是航空以及船舶等行业关心的问题[4]。金属工件应力集中区在循环拉伸载荷的长期作用下，会有金属材料位错结构的滋生。随着循环载荷的持续作用，金属材料内部位错密度不断增大，位错间会相互合并和生长，逐步在工件表面形成微孔，这往往是更为严重损伤的起始。因此，开展对拉伸疲劳加载下金属表面疲劳损伤的检测与评价就显得十分必要。

线性超声检测技术是依赖声波传播过程中产生的声波幅度变化、回波时间等线性特征参量进行检测和评价的，对金属材料早期的性能退化不敏感，无法实现金属表面疲劳损伤的检测[5-6]。非线性声学检测方法[7-9]是采用有限振幅声波在固体材料中传播引起的非线性声学现象对材料性能进行评价的方法。对于金属材料表面损伤的检测与评价，通常采用非线性表面检测方法。税国双[6]采用Rayleigh波对 AZ31镁铝合金试件表面的镍合金涂层在拉伸载荷作用下的损伤演化，进行了非线性超声无损评价研究。HERRMANN[10]设计了非线性表面波方法的试验步骤，评价了镍合金材料样品的高温损伤。WALKER[11]采用非线性表面波对A36钢材低周疲劳的塑性形变进行了检测。颜丙生[12]提出了直接激发和接收Rayleigh波的方式，检测了镁合金厚板的表面疲劳损伤。

笔者搭建了非线性超声检测平台，建立了非线性系数与拉伸疲劳载荷周期数之间的关系；结合疲劳样品的表面形态检测，完成了金属材料微观结构的评价。最终，采用非线性Rayleigh波检测方法，实现了对拉伸载荷作用下金属表面疲劳损伤的早期评价与检测。

1 理论分析

在各向同性固体材料的半空间中，Rayleigh波沿其自由表面传播。随着基波的传播，二次谐波是由材料的非线性产生的。对平面Rayleigh波而言，可得到如下关系[13-15]

(1)

式中:cR为Rayleigh波的传播波速;A1和A2分别为基波和二次谐波信号的幅值;x为Rayleigh波在固体材料中的传播距离;ω为角频率;β为超声非线性系数。

由于实际试验过程中，传播速度和激发频率都是保持不变的常数，所以β可以通过测量基波和二次谐波的幅值得到。因此，非线性系数又可表示为

(2)

式中:C常数包括所有的常数参数。

试验中，x是保持不变的，可定义相对非线性系数β′来代替Rayleigh波的非线性系数的变化情况，其相对非线性系数的表达式为

(3)

待测样品的非线性主要由以下两部分构成：① 金属材料固有的非线性，来源于构成材料的原子间相互作用力的非简谐性；② 金属材料受到外界循环载荷作用在工件的内部和表面产生位错、滑移带和微裂纹等微观结构,产生了非线性。其中，第②部分是声学非线性的主要来源，会造成非线性声学系数的增长，而位错、滑移带和微裂纹等微观结构的滋生正是金属材料力学性能退化的主要原因。因此，文章采用量化非线性系数与加载拉伸疲劳周期数目的关系，来建立非线性系数-金属材料微观结构-宏观力学性能三者之间的关系。

2 试验过程

2.1 试验装置

搭建非线性Rayleigh表面波超声检测系统。RAM-5000-SNAP非线性超声检测系统产生周期数为30，频率为5MHz的高能tone-burst信号，该信号经过低通滤波器后，由发射换能器激发超声波，经过耦合剂耦合进入楔块中，经过波型转换产生表面波，在待测试件表面传播。最终，表面波信号被楔块和接收换能器接收。试验装置、试验装置的部分放大图和试验框图如图1～3所示。

图1 试验装置外观

图2 试验装置的部分放大图

图3 试验系统连接框图

由于待测样品表面存在疲劳损伤，Rayleigh表面波在传播过程中发生了畸变，即产生了二次及以上的高次谐波。由于二次及以上的高次谐波信号一般都很微弱，很容易淹没在系统噪声中，所以，在发射端放置了低通滤波器滤掉高频成分，且接收换能器具有宽频带特性。接收换能器的频谱如图4所示。

图4 接收换能器频谱

为了更好地提取二次谐波信号，接收信号时需经过10 MHz的高通滤波，再经过信号放大器放大，最终被非线性超声检测系统采集，同时在示波器上显示。试验中，使用常规医用超声耦合剂实现换能器、楔块和待测试件接触面的有效耦合。

2.2 Rayleigh表面波的激发

采用斜楔法激发Rayleigh波。换能器激励产生纵波声信号，信号传播至楔块与待测样品界面处发生透射现象，满足Snell定律

(4)

式中：c1为楔块的纵波声速；c2为Rayleigh波声速；θ1和θ2分别为波的入射角和折射角，材料中的声速如表1所示。

此处楔块材料为有机玻璃，待测金属样品为Q235钢。为了在试件中激发有效的Rayleigh波，必须满足θ2=90°。由此，可计算出纵波入射角为

sinθ1=sin90°(c1/c2)=60°

(5)

试验中采用的楔块角度为60°,满足式(5)，可实现Rayleigh表面波的有效激发。

表1 材料中的声速 m·s-1

2.3 试验样品

试验中待测试件的几何尺寸如图5所示。待测试件满足应力集中的系数为1.6(σmax/σ)。

图5 试件的几何尺寸

采用PA-100型疲劳试验机进行拉伸疲劳试验。疲劳加载频率为20 Hz，应力比R=σmin/σmax=0.25，平均加载载荷大小为10 kN，振幅为6 kN，疲劳载荷为正弦交变载荷。为了观察不同疲劳周数对试验结果的影响，每加载10万次后将试件从疲劳试验机上卸下来，采用图1所示的试验装置进行非线性系数测量。重复上述步骤，建立非线性参数与疲劳周期数之间的关系，进而可建立非线性参数-材料宏观力学性能之间的关系。

3 试验结果与分析

3.1 波形分析

采用非线性Rayleigh波检测平台，实现基波和二次谐波时域波形的接收，分别如图6,7所示。对接收到的时域波形进行 FFT 变换，在频率为 5 MHz的基频位置上得到基波幅值A1，基波频域波形如图8所示；在频率为 10 MHz的二倍频位置上得到二次谐波幅值A2，如图9所示。图9中二次谐波幅值经过放大器放大20 dB。试验过程中，测量基波与二次谐波幅值时应保证测量条件的一致性，且每次测量过程重复3次，结果取其平均值，以降低随机因素对试验的影响，保证试验结果的准确性和可靠性。

图6 基波的时域波形

图7 二次谐波的时域波形

图8 基波频域波形

图9 二次谐波频域波形

3.2 试验结果分析

利用上述试验系统和试验方法对试件进行了不同拉伸载荷周期数目下超声非线性系数的测量。将测量到的基波与二次谐波幅值代入式(3)，计算出被测试件的超声相对非线性系数。0为测量的未进行疲劳加载时试件的超声相对非线性系数,为离线测量的不同拉伸载荷周期数目下试件的超声相对非线性系数,利用/0对超声相对非线性系数进行正则化处理。用不同拉伸载荷周期数目的正则化相对非线性系数来表示金属表面疲劳损伤的程度。图10为正则化后的超声相对非线性系数与拉伸载荷周期数目的关系。

图10 正则化相对非线性系数与拉伸载荷周期数目关系

从图10可以看出，随着试件疲劳载荷周期数目的增大，正则化相对非线性系数整体上呈增长趋势。Q235钢的超声相对非线性系数与不同拉伸载荷周期数目的关系可分为两个阶段。第一阶段：拉伸载荷周期数目为40万次之前，超声非线性系数随疲劳周期数目的增加呈明显的单调增加的变化趋势。第二阶段：拉伸载荷周期数目为40万次之后，超声非线性系数基本保持不变。试验结果表明，超声非线性系数对Q235钢材料表面的早期疲劳损伤十分敏感。可见，在疲劳载荷作用前完成金属结构非线性声学系数的初始标定后，可利用非线性超声无损检测技术来定期离线检测在役零部件的表面疲劳程度。

3.3 材料微观结构观测

为了进一步分析Q235钢非线性的来源，采用S-3400N扫描电子显微镜对拉伸疲劳样品进行了微观结构的观测，目的是对比原始样品与拉伸疲劳载荷作用后试验样品的表面形态。观察过程应在观察面、放大倍数等条件一致的情况下进行，以确保对比结果的准确性。原始样品和拉伸疲劳载荷作用后试验样品表面形态的观察结果如图11所示。

图11 电子显微镜下试件的原始表面形态与拉伸疲劳载荷作用后的表面形态对比

对比图11(a),(b)可以看出,原始试件表面没有损伤，而拉伸疲劳载荷作用后试验样品表面出现了微孔等微损伤，且这些损伤的形状不规则，大小不等，如图11(b)中红色圈标注的地方。试验结果表明，在试件进入塑性变形阶段后，样品表面出现微孔等微观缺陷，这些微损伤是超声非线性系数增大的原因。由此，建立了试件的非线性系数-微结构-材料宏观力学性能三者之间的关系。

4 结论

(1) 研究了一套利用Rayleigh表面波离线测量超声非线性系数的试验系统。采用该系统测量了Q235钢在不同拉伸载荷周期数目下的超声非线性系数的变化情况，试验结果表明，非线性Rayleigh波检测方法可用于金属表面疲劳损伤的检测。

(2) 采用S-3400N扫描电子显微镜观察了Q235钢在拉伸载荷作用后的表面微观形态的变化情况，建立了非线性系数-微结构-材料宏观力学性能三者之间的关系，结果表明，超声非线性系数主要来源于金属表面微孔等疲劳损伤，为非线性Rayleigh表面检测方法的应用提供有力论据。