利用非線性表面波評價材料疲勞損傷

李海洋，史慧揚，王召巴

利用非線性表面波評價材料疲勞損傷

李海洋，史慧揚，王召巴

(中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051)

采用非線性Rayleigh表面波檢測方法，實現(xiàn)了不同疲勞階段下鋼試樣拉伸和腐蝕疲勞損傷的測試與評價；基于楔塊換能器激發(fā)與接收聲波方式，搭建非線性Rayleigh波檢測系統(tǒng)，測量了不同激勵水平下基波幅值平方與二次諧波幅值間的線性關系以及Rayleigh表面波二次諧波的累積效應；分別在拉伸載荷和腐蝕疲勞載荷下，采集非線性時域信號并進行頻譜分析，測量聲學非線性系數(shù)在不同疲勞階段下變化趨勢，并分析不同疲勞載荷對鋼試樣聲學非線性系數(shù)的影響。實驗結果表明：超聲非線性系數(shù)與疲勞周期數(shù)呈單調(diào)遞增關系，可以用聲學非線性系數(shù)來表征材料的表面疲勞損傷程度；相比較周期性拉伸疲勞損傷，腐蝕疲勞試樣的聲學非線性系數(shù)會增大，是由于腐蝕環(huán)境會加重實驗中鋼試樣的疲勞損傷程度。研究成果可為疲勞損傷無損檢測與評價提供一定的指導意義。

腐蝕疲勞；Rayleigh表面波；非線性系數(shù)

0 引言

大量研究表明，對于承受循環(huán)載荷的金屬結構，材料早期性能退化占據(jù)了整個疲勞壽命的80%～90%。在航空、航天、船舶等領域內(nèi)鋼結構工件起到重要支撐和防護作用。長期受到循環(huán)應力和腐蝕介質(zhì)的作用，導致拉伸疲勞和腐蝕疲勞成為鋼結構主要失效形式。疲勞損傷往往會造成鋼結構表面力學性能劣化，一旦發(fā)生漏檢就會對設備設施的安全運行造成重大威脅。

非線性超聲檢測技術利用有限振幅聲波傳播過程與材料微觀結構發(fā)生相互作用產(chǎn)生的非線性行為可以實現(xiàn)待測工件疲勞損傷的檢測，已經(jīng)得到廣泛認可和關注[1-5]。安志武等[6]采用縱波諧波法實現(xiàn)了粘接結構疲勞損傷的檢測；XIANG Y X等[7]采用非線性Lamb波檢測技術實現(xiàn)了高溫蠕變損傷的檢測。焦敬品等[8]采用混頻法實現(xiàn)了閉合裂紋的檢測。

相比于縱波二次諧波法、混頻檢測方法等非線性聲學檢測方法，Rayleigh 波具有能量主要集中在結構表面、傳播距離遠等優(yōu)點，只需要在待測工件一側放置激發(fā)和接收換能器即可實現(xiàn)待測工件表面損傷的評價，適用于鋼材表面腐蝕疲勞損傷的檢測。非線性Rayleigh表面波聲學檢測法對待測工件疲勞損傷的檢測與評價已經(jīng)取得了一定的成果。顏丙生等[9]等對鎂合金厚板表面進行了疲勞損傷方面的研究。GUO S F等[10]、稅國雙等[11-12]采用激光干涉儀接收的非接觸方法，測量了固體火箭表面涂層的非線性系數(shù)。HERRMANN J等[13]實現(xiàn)了鎳基合金表面損傷的檢測，并推導了一維非線性Rayleigh波位移公式。ZEITVOGEL D T等[14]利用空氣耦合的超聲接收方法，實現(xiàn)了待測材料非線性評價。高翠翠等[15]、李海洋等[16-17]利用聲學非線性Rayleigh波對材料的疲勞損傷進行了研究。但對于鋼材腐蝕疲勞檢測與評價，非線性Rayleigh波無損檢測技術尚存在繼續(xù)研究的空間。

因此，本文采用楔塊/換能器激發(fā)與接收方式，搭建了非線性Rayleigh波檢測平臺，測量了不同疲勞壽命階段下拉伸疲勞損傷與腐蝕疲勞損傷鋼材試樣的相對非線性系數(shù)變化，并對比兩種損傷下非線性系數(shù)不同特點，實現(xiàn)了鋼材拉伸疲勞與腐蝕疲勞損傷的檢測與評價。研究結果可為非線性聲學檢測技術的工業(yè)推廣和應用提供實驗經(jīng)驗和依據(jù)。

1 Rayleigh表面波的非線性系數(shù)

固體介質(zhì)非線性一般通過高階彈性常數(shù)來表征。單一頻率的超聲波在固體介質(zhì)中傳播時，會與該介質(zhì)發(fā)生非線性作用導致聲波時域波形畸變，體現(xiàn)在頻域中出現(xiàn)高次諧波分量[9]。固體介質(zhì)的非線性來源主要有兩類：(1) 固體介質(zhì)固有的晶格非諧和性；(2) 源自于位錯、滑移帶等晶格缺陷引起的非線性。定義固體介質(zhì)的非線性系數(shù)為[11]

在各向同性固體材料中，采用Rayleigh表面波作為檢測波型，且在一維傳播情況下，HERMANN J求解非線性系數(shù)表達式為[13]

由式(3)可知，只需要測量基波與二次諧波的幅值，就可以計算相對非線性系數(shù)。

2 實驗檢測系統(tǒng)及樣品制備

2.1 實驗裝置

本文基于楔塊/換能器法激發(fā)和接收非線性聲波，搭建了非線性超聲檢測系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)采用周期數(shù)為20且激勵信號的中心頻率為5 MHz的tone-burst脈沖信號，并經(jīng)過高能匹配電阻和5 MHz低通濾波器，作用在縱波發(fā)射換能器上，經(jīng)楔塊產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，在樣品表面生成Rayleigh表面波，最終被接收楔塊/換能器接收。由于二次諧波幅值較弱，易被淹沒在系統(tǒng)噪聲中，在接收前需要經(jīng)過10 MHz的高通濾波器和放大量為20 dB的信號放大器放大，以增強二次諧波的接收信噪比。實驗框圖和實驗平臺分別如圖1和圖2所示。發(fā)射換能器和接收換能器的頻譜圖如圖3(a)和3(b)所示，發(fā)射換能器的中心頻率為5 MHz，帶寬為2.5 MHz，該頻譜特性會對實驗系統(tǒng)的產(chǎn)生二次諧波信號起到抑制作用；接收換能器的中心頻率為10 MHz，帶寬為5 MHz，可實現(xiàn)二次諧波信號的有效接收，部分抑制其他頻段噪聲信號對二次諧波信號的影響。

圖1 試驗框圖

圖2 試驗平臺

圖3 發(fā)射和接收換能器的頻率響應曲線

2.2 樣品的制備

采用Q235鋼作為實驗材料，制作兩塊試樣，分別編號為1、2。試樣的幾何尺寸圖如圖4(a)所示。

采用高周疲勞方法制作腐蝕疲勞損傷和拉伸疲勞損傷的樣品，其中腐蝕損傷采用浸泡法制作。在試樣1和2分別加載正弦交變拉伸載荷，其疲勞頻率為20 Hz，中心線為10 kN，振幅為6 kN。其中試樣2加載拉伸載荷前，采用腐蝕介質(zhì)濃度為10%的鹽水浸泡，浸泡時間為20天。因此，1號試樣為拉伸疲勞試樣，2號為腐蝕疲勞試樣(樣品腐蝕后如圖4(b)所示)。

3 實驗結果

3.1 不同激勵電信號對實驗結果的影響

圖4 實驗樣品

圖5 基波幅值的平方與二次諧波幅值之間的關系

3.2 Rayleigh表面波二次諧波幅值的累積效應

非線性聲波二次諧波在聲波傳播方向上具有距離累積效應[13]。利用上述實驗平臺對完好樣品在不同傳播距離下Rayleigh波的二次諧波幅值進行測量。在2～11 cm之間的測量間隔為0.5 cm，在11～15 cm之間的測量間隔為1 cm。測量Rayleigh波基波和諧波疊加的幅值如表1所示，二次諧波幅值與傳播距離之間的關系如圖6所示。

從圖6中可知，傳播距離為2～6 cm時，二次諧波幅值是震蕩的，具有不穩(wěn)定性，這是由于換能器的近場效應引起的；傳播距離為6～15 cm時，由于遠離換能器的近場影響，二次諧波幅值隨著傳播距離增加而增大，與傳播距離近似為線性關系。由此可見，在實際測量過程中應保證激發(fā)換能器和接收換能器距離在6 cm以上，以避免換能器近場效應對檢測結果的影響。此外，由表1可知，接收換能器接收到聲信號幅值受到距離的影響不明顯，因此在本文不考慮傳播距離對聲波衰減的作用。

表1 Rayleigh波幅值與距離關系

圖6 試件中Rayleigh波的二次諧波幅值與傳播距離之間的關系

3.3 相對非線性系數(shù)測量

基于上述非線性Rayleigh表面波的檢測平臺，對基波和二次諧波進行采集，其時域下的信號波形如圖7所示。

對采集到的基波和二次諧波的時域信號進行快速傅里葉變換，得到兩者的頻譜如圖8所示。將求得基波幅值和二次諧波幅值代入式(3)可得到相對非線性系數(shù)。

圖8 基波和二次諧波的頻譜

圖9 歸一化相對非線性系數(shù)與疲勞周期的關系

由圖9可知，1號試樣和2號試樣的相對非線性聲學系數(shù)都隨著疲勞周數(shù)的增加呈單調(diào)增長趨勢，且都在疲勞周數(shù)在40萬次后基本保持不變；在總體疲勞壽命內(nèi)，2號腐蝕疲勞試樣的非線性系數(shù)總是大于1號拉伸疲勞試樣的非線性系數(shù)。實驗結果表明：非線性系數(shù)與疲勞周期數(shù)具有單調(diào)遞增關系，可評價待測樣品疲勞損傷；相對比拉伸疲勞損傷，腐蝕疲勞試樣具有更大的非線性系數(shù)。

4 結論

通過文中的測試和分析得出以下結論：

(1) 該非線性聲學檢測平臺測量的聲學非線性來源于待測樣品本身，且在檢測過程中激勵換能器與接收換能器的距離應保持在6 cm以上，以避免換能器近場對測量結果造成影響；

(2) 測量了不同疲勞周數(shù)下Q235鋼試樣的聲學非線性系數(shù)，聲學非線性系數(shù)與試樣疲勞周數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)遞增的結果；

腐蝕疲勞后的試樣具有更高的聲學非線性效應，含有腐蝕介質(zhì)的腐蝕環(huán)境加劇了試樣的疲勞損傷程度。利用聲學非線性系數(shù)來表征材料的疲勞損傷程度的變化情況是可行的。

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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 030051, Shanxi, China)

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.

corrosion fatigue;Rayleigh surface wave; nonlinear parameter

O422.7；TG174.3+4

A

1000-3630(2019)-03-0296-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.010

2018-01-23;

2018-03-26

國家自然科學基金資助項目(11604304)；山西省高等學?？萍紕?chuàng)新項目(201657)；山西省重點研發(fā)計劃(201603D121006-1)；山西省青年面上基金項目(201701D221127)

李海洋(1987－), 女, 黑龍江佳木斯人, 博士, 講師, 研究方向為超聲無損檢測。

王召巴,E-mail: wangzb@nuc.edu.cn