LY12鋁合金疲勞損傷的非線性超聲檢測(cè)

顏丙生， 張士雄

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007）

LY12硬鋁合金是航空宇航工業(yè)中廣泛應(yīng)用的合金材料之一，具有較高的強(qiáng)度和韌性，不容易斷裂，是硬鋁中用量最大的鋁合金材料。通常被用來(lái)制作飛機(jī)、火箭的蒙皮、壁板和隔框、翼肋，是代替鋼材的最佳材料。但是，鋁合金的突出弱點(diǎn)是其疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，且隨著硬度的提高，這一敏感程度增大。而航空鋁合金在實(shí)際使用過(guò)程中，由于工作環(huán)境復(fù)雜，一些部件容易出現(xiàn)疲勞裂紋和損傷，這對(duì)于飛機(jī)等關(guān)鍵構(gòu)件的安全服役造成了極大威脅［1］。因此，對(duì)于LY12鋁合金超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究也就具有重要意義。

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)利用波的時(shí)程、聲速和衰減等物理參數(shù)已經(jīng)可以對(duì)疲勞試件中的宏觀裂紋進(jìn)行有效的檢測(cè)和評(píng)估［2］。但是，上述線性物理參數(shù)對(duì)金屬材料早期疲勞并不敏感［3］。近期相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明金屬材料的早期疲勞損傷與超聲波的非線性效應(yīng)密切相關(guān)［4～9］。在金屬材料的早期疲勞損傷階段，由于位錯(cuò)和滑移帶等微觀缺陷的存在，當(dāng)單一頻率的超聲波在金屬材料內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)使波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生高次諧波。因此，通過(guò)對(duì)這些高次諧波的檢測(cè)，可以對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的早期疲勞損傷做出有效的無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估。

盡管非線性超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍然沒(méi)有成功地應(yīng)用于工程實(shí)際，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在非線性超聲宏觀檢測(cè)方面。本工作根據(jù)LY12鋁合金的材料特性，發(fā)展了一套可靠的超聲非線性系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行了材料疲勞非線性超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合微觀實(shí)驗(yàn)，研究了材料超聲非線性特性與位錯(cuò)密度之間的關(guān)系。

1 超聲非線性系數(shù)

一般來(lái)說(shuō)，固體介質(zhì)都具有非線性的特征，比如微結(jié)構(gòu)缺陷引起的非線性特征等，固體介質(zhì)的非線性特征一般通過(guò)高階彈性常數(shù)來(lái)描述。單一頻率正弦超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)將與固體介質(zhì)間產(chǎn)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生高次諧波，為了有效反應(yīng)這一特點(diǎn)，Cantrell，Breazeal等人［9，10］建立了固體介質(zhì)內(nèi)的非線性超聲波動(dòng)方程。對(duì)方程求解后可以得到材料的非線性系數(shù)β為:

式中k為波數(shù)，與聲波頻率和波速有關(guān)，x為聲波傳播距離。當(dāng)聲波頻率和超聲波傳播距離一定時(shí)，由式（1）可知，測(cè)量出基波和二次諧波幅值A(chǔ)1和A2的值，就可確定材料的超聲非線性系數(shù)。

金屬作為一種晶體，其疲勞損傷與晶體中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)存在密切的關(guān)系，周期性疲勞載荷的作用下，金屬材料內(nèi)部的位錯(cuò)密度、位錯(cuò)弦長(zhǎng)、位錯(cuò)組態(tài)和滑移帶等微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，從而使超聲非線性系數(shù)有較顯著的改變［11］。因此超聲非線性系數(shù)β可用作描述介質(zhì)非線性的量化指標(biāo)，特別是對(duì)材料的早期疲勞壽命預(yù)測(cè)將具有重要的實(shí)際意義。

在本實(shí)驗(yàn)中，為了研究方便，采用β=A2/A21來(lái)表征超聲非線性系數(shù)的變化情況。顯然，它與材料的絕對(duì)非線性系數(shù)成正比［12］。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)量方法

圖1所示為超聲非線性系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)生器33220A、功率放大器 AG1016、MTS810材料疲勞試驗(yàn)機(jī)、高能低通濾波器、衰減器、傳感器、示波器、計(jì)算機(jī)以及被測(cè)試件和夾具。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用透射法測(cè)量基波和二次諧波的幅值。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的單頻正弦波經(jīng)放大、濾波后，驅(qū)動(dòng)固定于被測(cè)試件一端的壓電傳感器，向試件中輸入單頻超聲波。位于試件另一端的壓電傳感器將采集傳來(lái)的包含有高頻成分的超聲波信號(hào)，然后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，最終得到基波和二次諧波的幅值，進(jìn)而確定非線性系數(shù)的值。

采用美國(guó)RETIC公司的高能低通濾波器來(lái)濾除功率放大器射頻門(mén)產(chǎn)生的高頻干擾。衰減器把從濾波器引出的一路信號(hào)衰減后作為監(jiān)測(cè)信號(hào)輸入示波器，通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)可以控制輸入發(fā)射傳感器信號(hào)的幅值。一對(duì)中心頻率分別為5MHz和10MHz的Panametrics窄帶PZT超聲探頭作為發(fā)射和接收傳感器。由于進(jìn)行非線性測(cè)量時(shí)，激勵(lì)信號(hào)幅值較大，普通耦合劑容易揮發(fā)，采用比較穩(wěn)定的鋰基黃油作為耦合劑。一個(gè)特殊的夾具來(lái)保證檢測(cè)時(shí)探頭和試件之間的充分和穩(wěn)定的耦合，同時(shí)保持發(fā)射傳感器和接收傳感器在同一軸線上，以免能量損失。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The layout of experimental system

3 LY12硬鋁材料性質(zhì)和試件設(shè)計(jì)制作

LY12硬鋁合金密度為2790kg/m3，彈性模量E=73GPa，泊松比 ν=0.32。根據(jù) GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，通過(guò)三根標(biāo)準(zhǔn)的狗骨試件拉伸試驗(yàn)得到的LY12硬鋁合金屈服強(qiáng)度為390MPa，抗拉強(qiáng)度為532MPa，縱波波速為6485m/s。

圖2為試件尺寸示意圖，為圓棒形，試件分為A，B兩組，A組為未進(jìn)行疲勞加載的原始試件，共一根。B組共13根，分別在疲勞試驗(yàn)機(jī)上作循環(huán)周期為 500，1100，1700，2300，2900，3500，4100，4700，5300，6000，6600，7200 和 8100 周次的低周拉-壓疲勞，加載應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的 ±60%（±234MPa），R=σmin/σmax=-1，加載頻率為10Hz。試件卸載后沿切割線截取長(zhǎng)40mm，直徑14mm的有效應(yīng)變部分，對(duì)切割下的試件表面特別是安裝傳感器的試件兩端進(jìn)行仔細(xì)的拋光打磨。

圖2 試件尺寸示意圖Fig.2 Dimensions of specimen

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)信號(hào)

對(duì)加載到5300周的試件進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)，激勵(lì)信號(hào)為頻率5MHz的單一頻率正弦波，為了減少儀器和隨機(jī)因素產(chǎn)生的高頻諧波干擾，取試件在超聲波傳播方向所能容納的不與接收信號(hào)重疊的最大周期數(shù)作為正弦脈沖串信號(hào)周期數(shù)。根據(jù)超聲波在LY12鋁合金上傳播的距離和波速，本實(shí)驗(yàn)選用激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)為32個(gè)。

圖3a為接收到的時(shí)域信號(hào)。進(jìn)行FFT變換后，在頻率為5MHz的基頻位置上可以得到基波幅值A(chǔ)1，如圖3b中實(shí)線所示，基波對(duì)應(yīng)圖中左邊坐標(biāo);在頻率為10MHz的倍頻位置上可得到二次諧波幅值A(chǔ)2，如圖3b中虛線所示，二次諧波對(duì)應(yīng)圖中右邊坐標(biāo)。由于基波和二次諧波幅值相差較大，為了方便觀察，采用不同的縱坐標(biāo)尺度。

圖3 實(shí)驗(yàn)信號(hào) （a）接收時(shí)域信號(hào);（b）基波和二次諧波幅值Fig.3 Experimental signals （a）received time domain signals;（b）fundamental and 2nd harmonic amplitude

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)A組和B組試件進(jìn)行了超聲非線性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。β0為A組未疲勞試件的超聲非線性系數(shù)，β為疲勞到不同程度下的B組試件的超聲非線性系數(shù)，用β/β0對(duì)超聲非線性系數(shù)進(jìn)行歸一化。用疲勞壽命的百分比，即試件不同循環(huán)加載周次與疲勞壽命的比值來(lái)表示疲勞損傷的程度。

圖4為歸一化后的超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著試件疲勞程度加深，歸一化后的超聲非線性系數(shù)整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。LY12鋁合金的超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關(guān)系可以分為兩個(gè)階段，第一階段在疲勞壽命約60%之前，超聲非線性系數(shù)隨疲勞周次的增加明顯單調(diào)增加。第二階段在疲勞壽命約60%之后，超聲非線性系數(shù)出現(xiàn)較大波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于LY12鋁合金，表征材料早期疲勞損傷的非線性超聲特征參數(shù)超聲非線性系數(shù)非常敏感，金屬材料超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命之間的關(guān)系可以用來(lái)表征材料的早期疲勞過(guò)程，如果事先對(duì)某種材料零部件的超聲非線性系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，則有望利用非線性超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)定期離線檢測(cè)在役零部件的疲勞程度。

圖4 歸一化后的超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關(guān)系Fig.4 Normalized nonlinearity parameters versus the percentage of fatigue life

5 LY12鋁合金疲勞試件的微觀驗(yàn)證

5.1 微觀觀察方法與試樣

Cantrell等人提出的位錯(cuò)理論模型認(rèn)為材料的超聲非線性效應(yīng)來(lái)源于超聲波與位錯(cuò)等微觀缺陷的相互作用［13］，位錯(cuò)密度、位錯(cuò)弦長(zhǎng)和位錯(cuò)偶間距的變化會(huì)相應(yīng)引起特征參數(shù)超聲非線性系數(shù)的變化。位錯(cuò)是一種原子尺寸的微缺陷，目前，在研究位錯(cuò)的密度、分布和組態(tài)以及運(yùn)動(dòng)和交互作用過(guò)程中，常常應(yīng)用光學(xué)、電子和場(chǎng)離子顯微鏡及X射線技術(shù)對(duì)位錯(cuò)進(jìn)行觀察。為了從材料微觀結(jié)構(gòu)上對(duì)非線性超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究超聲非線性系數(shù)與其對(duì)應(yīng)位錯(cuò)密度的變化關(guān)系，選用浸蝕法觀察原始狀態(tài)和不同疲勞周次時(shí)LY12鋁合金的位錯(cuò)密度變化。

浸蝕法是利用位錯(cuò)蝕坑顯示晶體表面位錯(cuò)露頭的一種光學(xué)觀察方法。試樣加工分為切割、鑲嵌、打磨、拋光、浸蝕和觀察等幾個(gè)步驟。切割時(shí)選取不同疲勞試件相同的位置和晶面。浸蝕液成分為1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O。為了保證實(shí)驗(yàn)條件的一致，浸蝕時(shí)間統(tǒng)一為60s。圖5所示為鑲嵌后的微觀試樣，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)橫截面存在大量的位錯(cuò)蝕坑并有明顯的晶界?？v截面中有明顯拉長(zhǎng)的晶界，觀察面中的位錯(cuò)較少。因此，統(tǒng)一選擇橫截面作為觀察面。

使用KEYENCE VHX-600光學(xué)數(shù)字顯微鏡對(duì)制作好的LY12疲勞試樣進(jìn)行光學(xué)觀察，微觀觀察的目的是要比較不同疲勞程度試件的位錯(cuò)密度，必須盡可能地使觀察條件一致來(lái)保證對(duì)比的準(zhǔn)確性。觀察條件包括觀察面、放大倍數(shù)，場(chǎng)強(qiáng)和偏光等。

圖5 微觀觀察試樣Fig.5 The specimen of optical microstructures

5.2 微觀觀察結(jié)果

在盡量保證實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下，利用上述實(shí)驗(yàn)儀器和微觀觀察方法分別對(duì)不同疲勞周次的LY12硬鋁試樣進(jìn)行了觀察，使用偏光所得的結(jié)果如圖6所示。

圖6為L(zhǎng)Y12硬鋁不同疲勞周次時(shí)試樣的光學(xué)顯微圖。位錯(cuò)蝕坑的形狀與晶體表面的晶面有關(guān)，對(duì)于立方晶系的晶體，位錯(cuò)蝕坑在觀察面為{111}的晶面，呈正三角形漏斗狀，所以可以判定圖中所顯示的規(guī)則正三角蝕坑為位錯(cuò)蝕坑。從圖中可以看出，除原始試樣外，在疲勞的不同階段均明顯存在規(guī)則的三角形位錯(cuò)蝕坑，且呈有規(guī)律的均勻分布。通過(guò)對(duì)位錯(cuò)蝕坑的統(tǒng)計(jì)可以獲得位錯(cuò)密度的變化，從而用來(lái)驗(yàn)證非線性超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并有望進(jìn)一步建立超聲非線性系數(shù)的變化與微觀結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。

圖6 不同疲勞周次試樣的光學(xué)顯微圖 （a）原始;（b）500周;（c）1100周;（d）1700周;（e）2300周;（f）2900周;（g）3500周;（h）4100周;（i）4700周;（j）5300周;（k）6000周;（l）6600周;（m）7200周;（n）8100周;Fig.6 Optical observation results of different fatigued cycles specimens （a）original;（b）500 cycles;（c）1100 cycles;（d）1700 cycles;（e）2300 cycles;（f）2900 cycles;（g）3500 cycles;（h）4100 cycles;（i）4700 cycles;（j）5300 cycles;（k）6000 cycles;（l）6600 cycles;（m）7200 cycles;（n）8100 cycles;

5.3 微觀觀察結(jié)果分析

位錯(cuò)是晶體中的線缺陷，單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度稱(chēng)為位錯(cuò)密度。若將位錯(cuò)線視為彼此平行的直線，他們從晶體的一面均延至另一面，則位錯(cuò)密度便等于穿過(guò)單位截面積的位錯(cuò)線頭數(shù)，即:

式中ρ為位錯(cuò)密度，A為晶體的截面積，n為A面積內(nèi)位錯(cuò)線頭數(shù)。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，要統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同疲勞周次試樣的位錯(cuò)密度，可以分兩步進(jìn)行:（1）在每個(gè)試樣顯微圖上選定合適的、相同的計(jì)算面積。由于每個(gè)試樣顯微圖中的位錯(cuò)蝕坑分布都不是絕對(duì)均勻，所以盡量選取位錯(cuò)蝕坑清晰，分布均勻的區(qū)域作為統(tǒng)計(jì)區(qū)域。圖6中白色方框所框部分為位錯(cuò)蝕坑統(tǒng)計(jì)區(qū)域。（2）數(shù)出每個(gè)試樣顯微圖中統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的位錯(cuò)蝕坑個(gè)數(shù)。由于在同一顯微圖中統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的位錯(cuò)蝕坑大小不一，深淺不同，所以在統(tǒng)計(jì)位錯(cuò)蝕坑個(gè)數(shù)時(shí)，統(tǒng)一選取邊界清晰、完整、均勻，在同一圖中大小相等的位錯(cuò)蝕坑。由于每幅圖的統(tǒng)計(jì)區(qū)域相同，可以直接采用位錯(cuò)頭數(shù)的變化來(lái)表示位錯(cuò)密度的變化。

圖7為位錯(cuò)密度和超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關(guān)系，圖中上三角符號(hào)所在曲線為L(zhǎng)Y12硬鋁疲勞試件的超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比關(guān)系曲線圖，對(duì)應(yīng)圖中左邊坐標(biāo)。下三角符號(hào)所在曲線為L(zhǎng)Y12硬鋁疲勞試件的位錯(cuò)密度與疲勞壽命百分比關(guān)系曲線圖，對(duì)應(yīng)圖中右邊坐標(biāo)。從圖中可以看出，兩條曲線的整體趨勢(shì)相似，表明超聲非線性系數(shù)的變化與位錯(cuò)密度的變化是一致的。

圖7 位錯(cuò)密度和超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關(guān)系Fig.7 The relationship of dislocation density and ultrasonics nonlinearilty parameters with percentage of fatigue life

超聲非線性系數(shù)隨疲勞周次增加整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但并非單調(diào)增加，特別是對(duì)于6000周次和6600周次試件，超聲非線性系數(shù)出現(xiàn)明顯驟變，微觀觀察結(jié)果的位錯(cuò)密度也顯示了相對(duì)應(yīng)的變化，更進(jìn)一步表明超聲非線性效應(yīng)與晶體中的位錯(cuò)有關(guān)，超聲非線性系數(shù)可以表征晶體材料內(nèi)部位錯(cuò)的變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)材料的力學(xué)性能退化程度。

另外，圖中位錯(cuò)密度的變化與超聲非線性系數(shù)的變化并不完全一致，比如500周次試件的超聲非線性系數(shù)較小，但位錯(cuò)密度卻比較大。這可能主要是由以下兩方面原因造成的:（1）微觀觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次觀察的光強(qiáng)、角度、打磨和腐蝕等實(shí)驗(yàn)條件盡可能地保證一致，但不可能做到絕對(duì)的一致。特別是腐蝕液的濃度，打磨的標(biāo)準(zhǔn)較難控制。（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)只是假定材料內(nèi)部位錯(cuò)分布是均勻的，但實(shí)際存在分布集中現(xiàn)象，雖然截取的是每個(gè)試件的同一部位，但機(jī)加工和觀察區(qū)域的選擇均存在無(wú)法避免的偏差。

6 結(jié)論

（1）研究發(fā)展了一套利用PZT壓電傳感器離線測(cè)量超聲非線性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)測(cè)量了LY12硬鋁合金疲勞試件的超聲非線性系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)對(duì)材料早期疲勞損傷非常敏感。

（2）采用浸蝕法觀察了LY12硬鋁合金疲勞退化試件的內(nèi)部位錯(cuò)密度變化，超聲非線性系數(shù)和位錯(cuò)密度隨疲勞周次的變化近似一致，表明超聲非線性效應(yīng)與晶體中的位錯(cuò)有關(guān)，超聲非線性系數(shù)可以表征晶體材料內(nèi)部位錯(cuò)的變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)金屬材料的疲勞壽命。

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