20#鋼不同晶粒度試件非線性超聲特性實(shí)驗(yàn)研究

張　穎，吳　昊，李　彬，李棟山

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江　大慶　163318；2.北京日泰科技有限公司，北京 100012）

20#鋼不同晶粒度試件非線性超聲特性實(shí)驗(yàn)研究

張穎1，吳昊1，李彬1，李棟山2

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.北京日泰科技有限公司，北京 100012）

傳統(tǒng)的線性超聲檢測技術(shù)對微觀缺陷的檢測不敏感，而非線性超聲檢測是利用信號的頻域特征來進(jìn)行缺陷判別，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。采用RAM-5000 SNAP非線性超聲檢測系統(tǒng)，對不同晶粒度20#鋼試件進(jìn)行非線性超聲檢測實(shí)驗(yàn)。通過測量不同試件在相同激勵條件下的基波與二次諧波幅值，得到其相關(guān)非線性系數(shù)，分析材料不同晶粒度對非線性超聲特性的影響。結(jié)果表明：隨著材料晶粒度的增大，超聲非線性效應(yīng)增強(qiáng)，非線性系數(shù)值不斷增加。因此，利用非線性系數(shù)可以表征材料微觀晶粒度的變化情況，驗(yàn)證非線性超聲檢測技術(shù)在判別材料微觀組織變化中的有效性。

非線性超聲；基波；二次諧波；晶粒度；非線性系數(shù)

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，工程實(shí)際中對無損檢測技術(shù)的要求越來越高，而傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)受檢測原理所限很難對微觀缺陷進(jìn)行檢測與評價［1-2］。金屬材料在實(shí)際使用中受外載荷作用，材料內(nèi)部會產(chǎn)生大量的微裂紋和微孔洞，這些微觀缺陷的形核、擴(kuò)展將引起材料的逐漸劣化，直至破壞。因此，對材料微觀缺陷的早期檢測具有重要的意義。傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)是利用波的時程、聲速和衰減等線性參數(shù)來探測材料中宏觀缺陷的存在，對微觀缺陷的檢測不敏感［3-4］。而非線性超聲檢測技術(shù)是利用有限振幅聲波在材料中傳播時，介質(zhì)或微觀缺陷與其相互作用的非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料性能評估和微觀缺陷檢測［5］，具有重要的應(yīng)用價值。研究表明［6-8］，材料力學(xué)性能的退化與超聲波在材料中傳播時的非線性效應(yīng)密切相關(guān)，通過分析非線性系數(shù)的變化，能夠有效判別材料微觀組織的變化情況。

目前，國內(nèi)外在用超聲波探究材料微觀晶粒度方面做了大量研究工作，早在20世紀(jì)50年代，Mason 和Mcskimin就利用超聲波是高頻波、易衰減等特點(diǎn)來研究金屬材料在不同熱處理狀態(tài)下晶粒大小與超聲波聲學(xué)性能參數(shù)的變化規(guī)律［9］。近年來，國內(nèi)學(xué)者利用金屬材料對超聲波的衰減與其晶粒尺寸間的變化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)對材料晶粒度的無損評價。雖然傳統(tǒng)線性超聲檢測具有操作簡潔、效率高的優(yōu)勢，免除了金相法評價金屬材料晶粒度所造成的材料破壞與浪費(fèi)，但是對于晶粒尺寸過小的材料檢測時結(jié)果仍不準(zhǔn)確，而超聲非線性效應(yīng)能夠很好地解決這一問題，因此，采用非線性超聲技術(shù)評價金屬材料的晶粒度具有一定的意義。本文采用非線性超聲技術(shù)對不同晶粒度的20#鋼試件進(jìn)行檢測，探究材料不同晶粒度大小對非線性超聲特性的影響，并采用非線性系數(shù)對這一特性進(jìn)行表征，證明了材料微觀晶粒度的變化能夠引起非線性系數(shù)的改變，非線性超聲檢測技術(shù)可以有效判別材料微觀組織的變化情況。

1　非線性超聲檢測的理論基礎(chǔ)

固體介質(zhì)都具有非線性特性，如有限振幅聲波在固體介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的高次諧波和聲波畸變等現(xiàn)象。由于固體介質(zhì)的非線性，單頻正弦超聲波將與固體介質(zhì)間發(fā)生非線性相互作用產(chǎn)生非線性響應(yīng)信號，從而產(chǎn)生高頻諧波［10］。

Cantrell，Breazeal等［11-13］建立了固體介質(zhì)非線性超聲波動方程：

式中：ρ0——介質(zhì)密度，kg/m3；

x——波傳播的距離，m；

t——聲波傳播時間，s；

u——介質(zhì)內(nèi)位于x處質(zhì)點(diǎn)的位移，m；

K2——二階彈性常數(shù)；

K3——三階彈性常數(shù)；

k——波數(shù)，個；

通過多變量相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，3類生態(tài)系統(tǒng)中植物生物量與露石出露面積占比以及碎石含量之間相關(guān)關(guān)系不顯著(P>0.05)。物種組成與環(huán)境因子CCA分析得到4個排序軸，模型檢驗(yàn)顯著(F=2.3，P=0.002)。蒙特卡洛置換檢驗(yàn)表明前兩個軸物種與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)分別為0.67和0.51，這說明環(huán)境變量能夠很好地解釋物種構(gòu)成。同時檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0～20 cm土壤含水量環(huán)境因子不顯著(P>0.05)，固不納入模型分析。

A0——聲波初始幅度，V。

由式（2）可知，基波幅值為

二次諧波幅值為

根據(jù)式（3）和式（4）可得材料的非線性系數(shù)為

從式（5）中可以看出，若給定超聲波的頻率和試件長度，即k和x保持不變，則β僅與二次諧波幅值和基波幅值有關(guān)，即：

由式（6）可知，通過測量基波和二次諧波的幅值能夠計(jì)算得到非線性系數(shù)，借助非線性系數(shù)來描述材料微觀組織的變化是非線性超聲檢測的理論基礎(chǔ)。

2　試件的制備及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1試件的制備

實(shí)驗(yàn)選取20#鋼作為實(shí)驗(yàn)試件，試件形狀尺寸如圖1所示。采用不同的熱處理工藝對試件進(jìn)行處理，以獲得不同晶粒度的試件。制備5種不同晶粒度的試件，每種晶粒度試件各4件，5種不同晶粒度試件的金相組織如圖2所示。

圖1　試件尺寸（單位：mm）

2.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

非線性超聲檢測系統(tǒng)如圖3所示，檢測儀器是美國日泰公司生產(chǎn)的RAM-5000 SNAP非線性超聲檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)出脈沖串作為激勵信號，經(jīng)衰減器衰減，低通濾波器濾掉儀器產(chǎn)生的高頻干擾后，激勵中心頻率為2.5MHz的寬帶蘭姆波傳感器產(chǎn)生超聲波進(jìn)入被測試件。接收端采用中心頻率為5MHz的寬帶可調(diào)角度傳感器，接收信號經(jīng)過高通濾波器和放大器后返回到非線性超聲檢測系統(tǒng)來進(jìn)行信號提取和處理。由于激勵信號幅度很大，采用穩(wěn)定的甘油作為耦合劑，用一個特制的傳感器夾具來確保測試時傳感器與試件之間能夠充分耦合。在測試的過程中為避免能量損失，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)保證發(fā)射傳感器和接收傳感器始終在同一條直線上。

圖2　5種不同晶粒度20#鋼試件金相圖（500×）

圖3　不同晶粒度試件非線性超聲檢測系統(tǒng)示意圖

3　實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)測量

實(shí)驗(yàn)采用收發(fā)分置的傳感器布置方法測量基波和二次諧波的幅值，由于實(shí)驗(yàn)過程中儀器和隨機(jī)因素會產(chǎn)生許多諧波導(dǎo)致信號不易接收和處理，為了盡量減少諧波的產(chǎn)生，應(yīng)使發(fā)射信號波在試件傳播過程中不能與接收信號重疊。因此，實(shí)驗(yàn)采用正弦脈沖激勵，將采集到的信號輸入給示波器后，加入漢寧窗調(diào)試，通過觀察示波器波形確保超聲波在被測試件中產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)單一模態(tài)蘭姆波。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定激勵信號的正弦脈沖串周期為60 s，激勵頻率為2.1MHz。接收到的信號包含基波信號和高次諧波信號，采用FFT變換對接收到的時域信號進(jìn)行處理，在2.1MHz頻率位置上能夠得到基波的幅值A(chǔ)1，在頻率為4.2 MHz的二倍頻位置上得到二次諧波的幅值A(chǔ)2。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，應(yīng)保證檢測系統(tǒng)中每個設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置不變，對5種不同晶粒度試件發(fā)射振幅同為0.88V的基波，在同等條件下測量5次，取5次的平均值作為基波和二次諧波的幅值。由式（6）可以計(jì)算得到每種試件的非線性系數(shù)，通過分析非線性系數(shù)的變化規(guī)律來反映每種試件晶粒度的不同。發(fā)射的基波和得到的二次諧波時域信號如圖4和圖5所示，二次諧波幅值如表1所示。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)公式（6）計(jì)算5種不同晶粒度試件的非線性系數(shù)，得到的β值如表2所示。

圖4　基波時域信號

由式（7）計(jì)算在不同激勵電壓下5種不同晶粒度試件β值的相關(guān)系數(shù)r，數(shù)據(jù)見表3。

圖5　二次諧波時域信號

表1　5種不同晶粒度試件的二次諧波幅值

表2　5種不同晶粒度試件的非線性系數(shù)

表3　5種不同晶粒度試件β值的相關(guān)系數(shù)

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，5種試件β值的相關(guān)系數(shù)都大于0.8，因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)性，可據(jù)此對β值與不同晶粒度試件非線性超聲效應(yīng)關(guān)系做進(jìn)一步分析。由材料金相圖和表2對比分析可以看出，當(dāng)材料微觀晶粒變大不明顯時，β值緩慢增加，而當(dāng)晶粒明顯變大時，β值迅速增加?？梢婋S著材料晶粒度的增大，非線性系數(shù)不斷增加。這是由于金屬材料經(jīng)過晶粒細(xì)化后微觀組織發(fā)生變化，位錯密度和位錯弦長變小，使得金屬材料非線性變小，粗化晶粒位錯密度和位錯弦長增大顯著，增強(qiáng)了材料的非線性，故非線性系數(shù)明顯增加。因此，金屬材料微觀組織的相對變化情況可以用非線性系數(shù)來表征，非線性超聲檢測是判別材料微觀組織變化情況的有效手段。

4　結(jié)束語

本文通過20#鋼不同晶粒度試件非線性超聲檢測實(shí)驗(yàn)表明，隨著材料晶粒度的增大，超聲非線性效應(yīng)增強(qiáng)，非線性系數(shù)值不斷增加，材料微觀晶粒度的變化情況可以用非線性系數(shù)來表征。本文僅通過實(shí)驗(yàn)對20#鋼試件微觀晶粒的變化與非線性系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了定性的描述，其內(nèi)在聯(lián)系及量化表征，需后續(xù)深入的研究。

［1］周正干，劉斯明.非線性無損檢測技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2011，47（8）：2-11.

［2］耿榮生，景鵬.基于聲發(fā)射監(jiān)測的綜合無損檢測技術(shù)與飛機(jī)疲勞試驗(yàn)定壽［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2011，31（1）：28-34.

［3］吳斌，顏丙生，李佳銳，等.鎂合金疲勞早期非線性超聲在線檢測實(shí)驗(yàn)研究［J］.聲學(xué)學(xué)報，2011，36（5）：527-533.

［4］顏丙生，吳斌，李佳銳，等.金屬材料力學(xué)性能退化非線性超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011（2）：95-98.

［5］陸銘慧，徐肖霞.非線性超聲檢測方法及應(yīng)用［J］.無損檢測，2012，34（7）：61-66.

［6］艾春安，蔡笑風(fēng)，劉繼方，等.短時傅里葉變換聲-超聲檢測信號缺陷識別［J］.中國測試，2015，41（4）：30-35.

［7］周正干，劉斯明.鋁合金初期塑性變形與疲勞損傷的非線性超聲無損評價方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2011，47（8）：41-46.

［8］稅國雙，汪越勝，曲建民.材料力學(xué)性能退化的超聲無損檢測與評價［J］.力學(xué)進(jìn)展，2005，35（1）：52-68.

［9］賀西平，田彥平，張宏普.超聲無損評價金屬材料晶粒尺寸的研究［J］.聲學(xué)技術(shù)，2013，32（6）：445-450.

［10］吳斌，顏丙生，何存富，等.AZ31鎂合金早期力學(xué)性能退化非線性超聲檢測［J］.航空材料學(xué)報，2011，31（1）：87-92.

［11］NAGY P B.Fatigue damage assessment by nonlinear ultrasonicmaterials characterization［J］.Ultrasonics，1998 （36）：375-381.

［12］CANTRELLLH，YOSTW T.Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue microstructures［J］.International Journal of Fatigue，2001（23）：487-490.

［13］KIM J Y，JACOBS L J，QU J，et al.Experimental characterizationoffatiguedamageinanickel-base superalloy using nonlinear ultrasonic waves［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2006，120（3）：1266-1273.

（編輯：李妮）

Experimental research on nonlinear ultrasonic characteristics of 20#steel specimens with different grain sizes

ZHANG Ying1，WU Hao1，LI Bin1，LI Dongshan2
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Beijing RITEC Technology Co.，Ltd.，Beijing 100012，China）

Conventional linear ultrasonic detection technique，as constrained by its rationale，is insensitive in microdefect detection；however，the nonlinear ultrasonic detection is of a unique advantage as it applies the characteristics in frequency domain of signal to differentiate defects. RAM-5000SNAPnonlinearultrasonicdetectionsystem isemployedtocarryoutnonlinear ultrasonic detecting experiment on 20#steel test pieces with different grain sizes.By measuring the amplitudes of fundamental wave and second harmonics of different test pieces under the identical excitation conditions，associated nonlinear coefficients have been obtained and influences on nonlinear ultrasonic characteristics by different grain sizes of materials have been analyzed. Experimentalresultsshowthattheenlargingofmaterialgrainsizeenhancestheultrasonic nonlinear effects，resulting in the continuous increase of nonlinear coefficient values.Therefore，taking use of the nonlinear coefficient enables the representation of the variation of material microscopic grain size，based on which the validity and effectiveness of nonlinear ultrasonic detection technique are verified in differentiating microstructure changes of materials.

nonlinearultrasonic；fundamentalwave；secondharmonic；grainsize；nonlinear coefficient

A

1674-5124（2016）08-0123-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.025

2016-02-03；

2016-04-11

黑龍江省博士后科研啟動項(xiàng)目（LBH-Q14031）；東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（YJSCX2015-025NEPU）

張穎（1972-），男，黑龍江大慶市人，教授，博士，主要從事過程設(shè)備安全檢測及完整性評價的研究。