LY12鋁合金疲勞損傷的非線性超聲檢測

顏丙生， 張士雄

（河南工業(yè)大學機電工程學院，鄭州 450007）

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

超聲無損檢測技術利用波的時程、聲速和衰減等物理參數(shù)已經(jīng)可以對疲勞試件中的宏觀裂紋進行有效的檢測和評估［2］。但是，上述線性物理參數(shù)對金屬材料早期疲勞并不敏感［3］。近期相關實驗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密切相關［4～9］。在金屬材料的早期疲勞損傷階段，由于位錯和滑移帶等微觀缺陷的存在，當單一頻率的超聲波在金屬材料內部傳播時會使波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生高次諧波。因此，通過對這些高次諧波的檢測，可以對材料和結構的早期疲勞損傷做出有效的無損檢測和評估。

盡管非線性超聲無損檢測技術具有廣闊的應用前景，但仍然沒有成功地應用于工程實際，目前國內外的研究主要集中在非線性超聲宏觀檢測方面。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)測量實驗系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進行了材料疲勞非線性超聲檢測實驗，并結合微觀實驗，研究了材料超聲非線性特性與位錯密度之間的關系。

1 超聲非線性系數(shù)

一般來說，固體介質都具有非線性的特征，比如微結構缺陷引起的非線性特征等，固體介質的非線性特征一般通過高階彈性常數(shù)來描述。單一頻率正弦超聲波在固體介質中傳播時將與固體介質間產(chǎn)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生高次諧波，為了有效反應這一特點，Cantrell，Breazeal等人［9，10］建立了固體介質內的非線性超聲波動方程。對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，x為聲波傳播距離。當聲波頻率和超聲波傳播距離一定時，由式（1）可知，測量出基波和二次諧波幅值A1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的運動存在密切的關系，周期性疲勞載荷的作用下，金屬材料內部的位錯密度、位錯弦長、位錯組態(tài)和滑移帶等微觀結構將發(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可用作描述介質非線性的量化指標，特別是對材料的早期疲勞壽命預測將具有重要的實際意義。

在本實驗中，為了研究方便，采用β=A2/A21來表征超聲非線性系數(shù)的變化情況。顯然，它與材料的絕對非線性系數(shù)成正比［12］。

2 實驗系統(tǒng)與測量方法

圖1所示為超聲非線性系數(shù)測量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生器33220A、功率放大器 AG1016、MTS810材料疲勞試驗機、高能低通濾波器、衰減器、傳感器、示波器、計算機以及被測試件和夾具。

整個實驗系統(tǒng)采用透射法測量基波和二次諧波的幅值。信號發(fā)生器產(chǎn)生的單頻正弦波經(jīng)放大、濾波后，驅動固定于被測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的包含有高頻成分的超聲波信號，然后對采集到的信號進行FFT變換，最終得到基波和二次諧波的幅值，進而確定非線性系數(shù)的值。

采用美國RETIC公司的高能低通濾波器來濾除功率放大器射頻門產(chǎn)生的高頻干擾。衰減器把從濾波器引出的一路信號衰減后作為監(jiān)測信號輸入示波器，通過監(jiān)測信號可以控制輸入發(fā)射傳感器信號的幅值。一對中心頻率分別為5MHz和10MHz的Panametrics窄帶PZT超聲探頭作為發(fā)射和接收傳感器。由于進行非線性測量時，激勵信號幅值較大，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。一個特殊的夾具來保證檢測時探頭和試件之間的充分和穩(wěn)定的耦合，同時保持發(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 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 The layout of experimental system

3 LY12硬鋁材料性質和試件設計制作

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方法》，通過三根標準的狗骨試件拉伸試驗得到的LY12硬鋁合金屈服強度為390MPa，抗拉強度為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，分別在疲勞試驗機上作循環(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，加載應力取屈服強度的 ±60%（±234MPa），R=σmin/σmax=-1，加載頻率為10Hz。試件卸載后沿切割線截取長40mm，直徑14mm的有效應變部分，對切割下的試件表面特別是安裝傳感器的試件兩端進行仔細的拋光打磨。

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

4 實驗結果與分析

4.1 實驗信號

對加載到5300周的試件進行非線性超聲檢測，激勵信號為頻率5MHz的單一頻率正弦波，為了減少儀器和隨機因素產(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重疊的最大周期數(shù)作為正弦脈沖串信號周期數(shù)。根據(jù)超聲波在LY12鋁合金上傳播的距離和波速，本實驗選用激勵信號周期數(shù)為32個。

圖3a為接收到的時域信號。進行FFT變換后，在頻率為5MHz的基頻位置上可以得到基波幅值A1，如圖3b中實線所示，基波對應圖中左邊坐標;在頻率為10MHz的倍頻位置上可得到二次諧波幅值A2，如圖3b中虛線所示，二次諧波對應圖中右邊坐標。由于基波和二次諧波幅值相差較大，為了方便觀察，采用不同的縱坐標尺度。

圖3 實驗信號 （a）接收時域信號;（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 實驗結果

利用上述實驗系統(tǒng)和實驗方法對A組和B組試件進行了超聲非線性系數(shù)的實驗測量。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對超聲非線性系數(shù)進行歸一化。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)整體呈增長趨勢。LY12鋁合金的超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關系可以分為兩個階段，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。實驗結果表明，對于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系可以用來表征材料的早期疲勞過程，如果事先對某種材料零部件的超聲非線性系數(shù)進行標定，則有望利用非線性超聲無損檢測技術來定期離線檢測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證

5.1 微觀觀察方法與試樣

Cantrell等人提出的位錯理論模型認為材料的超聲非線性效應來源于超聲波與位錯等微觀缺陷的相互作用［13］，位錯密度、位錯弦長和位錯偶間距的變化會相應引起特征參數(shù)超聲非線性系數(shù)的變化。位錯是一種原子尺寸的微缺陷，目前，在研究位錯的密度、分布和組態(tài)以及運動和交互作用過程中，常常應用光學、電子和場離子顯微鏡及X射線技術對位錯進行觀察。為了從材料微觀結構上對非線性超聲檢測結果進行驗證，研究超聲非線性系數(shù)與其對應位錯密度的變化關系，選用浸蝕法觀察原始狀態(tài)和不同疲勞周次時LY12鋁合金的位錯密度變化。

浸蝕法是利用位錯蝕坑顯示晶體表面位錯露頭的一種光學觀察方法。試樣加工分為切割、鑲嵌、打磨、拋光、浸蝕和觀察等幾個步驟。切割時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。為了保證實驗條件的一致，浸蝕時間統(tǒng)一為60s。圖5所示為鑲嵌后的微觀試樣，實驗中發(fā)現(xiàn)橫截面存在大量的位錯蝕坑并有明顯的晶界?？v截面中有明顯拉長的晶界，觀察面中的位錯較少。因此，統(tǒng)一選擇橫截面作為觀察面。

使用KEYENCE VHX-600光學數(shù)字顯微鏡對制作好的LY12疲勞試樣進行光學觀察，微觀觀察的目的是要比較不同疲勞程度試件的位錯密度，必須盡可能地使觀察條件一致來保證對比的準確性。觀察條件包括觀察面、放大倍數(shù)，場強和偏光等。

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

5.2 微觀觀察結果

在盡量保證實驗條件一致的情況下，利用上述實驗儀器和微觀觀察方法分別對不同疲勞周次的LY12硬鋁試樣進行了觀察，使用偏光所得的結果如圖6所示。

圖6為LY12硬鋁不同疲勞周次時試樣的光學顯微圖。位錯蝕坑的形狀與晶體表面的晶面有關，對于立方晶系的晶體，位錯蝕坑在觀察面為{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)則的三角形位錯蝕坑，且呈有規(guī)律的均勻分布。通過對位錯蝕坑的統(tǒng)計可以獲得位錯密度的變化，從而用來驗證非線性超聲實驗結果，并有望進一步建立超聲非線性系數(shù)的變化與微觀結構變化之間的關系。

圖6 不同疲勞周次試樣的光學顯微圖 （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 微觀觀察結果分析

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

式中ρ為位錯密度，A為晶體的截面積，n為A面積內位錯線頭數(shù)。

對于本實驗，要統(tǒng)計計算不同疲勞周次試樣的位錯密度，可以分兩步進行:（1）在每個試樣顯微圖上選定合適的、相同的計算面積。由于每個試樣顯微圖中的位錯蝕坑分布都不是絕對均勻，所以盡量選取位錯蝕坑清晰，分布均勻的區(qū)域作為統(tǒng)計區(qū)域。圖6中白色方框所框部分為位錯蝕坑統(tǒng)計區(qū)域。（2）數(shù)出每個試樣顯微圖中統(tǒng)計區(qū)域內的位錯蝕坑個數(shù)。由于在同一顯微圖中統(tǒng)計區(qū)域內的位錯蝕坑大小不一，深淺不同，所以在統(tǒng)計位錯蝕坑個數(shù)時，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蝕坑。由于每幅圖的統(tǒng)計區(qū)域相同，可以直接采用位錯頭數(shù)的變化來表示位錯密度的變化。

圖7為位錯密度和超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關系，圖中上三角符號所在曲線為LY12硬鋁疲勞試件的超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比關系曲線圖，對應圖中左邊坐標。下三角符號所在曲線為LY12硬鋁疲勞試件的位錯密度與疲勞壽命百分比關系曲線圖，對應圖中右邊坐標。從圖中可以看出，兩條曲線的整體趨勢相似，表明超聲非線性系數(shù)的變化與位錯密度的變化是一致的。

圖7 位錯密度和超聲非線性系數(shù)與疲勞壽命百分比的關系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趨勢，但并非單調增加，特別是對于6000周次和6600周次試件，超聲非線性系數(shù)出現(xiàn)明顯驟變，微觀觀察結果的位錯密度也顯示了相對應的變化，更進一步表明超聲非線性效應與晶體中的位錯有關，超聲非線性系數(shù)可以表征晶體材料內部位錯的變化，進而預測材料的力學性能退化程度。

另外，圖中位錯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）微觀觀察實驗時，每次觀察的光強、角度、打磨和腐蝕等實驗條件盡可能地保證一致，但不可能做到絕對的一致。特別是腐蝕液的濃度，打磨的標準較難控制。（2）實驗時只是假定材料內部位錯分布是均勻的，但實際存在分布集中現(xiàn)象，雖然截取的是每個試件的同一部位，但機加工和觀察區(qū)域的選擇均存在無法避免的偏差。

6 結論

（1）研究發(fā)展了一套利用PZT壓電傳感器離線測量超聲非線性系數(shù)的實驗系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)測量了LY12硬鋁合金疲勞試件的超聲非線性系數(shù)，實驗結果表明，超聲非線性系數(shù)對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部位錯密度變化，超聲非線性系數(shù)和位錯密度隨疲勞周次的變化近似一致，表明超聲非線性效應與晶體中的位錯有關，超聲非線性系數(shù)可以表征晶體材料內部位錯的變化，進而預測金屬材料的疲勞壽命。

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