殘余應(yīng)力對鋁薄板Lamb波非線性效應(yīng)的影響

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063)

鋁合金板材由于自身的優(yōu)良性能，在工業(yè)領(lǐng)域用途廣泛，使用中常被加工為承壓構(gòu)件，而承壓構(gòu)件長期處于交變載荷的作用下，易產(chǎn)生疲勞類損傷。在疲勞產(chǎn)生的初期，金屬材料內(nèi)部主要組織形態(tài)是位錯(cuò)， 隨著位錯(cuò)數(shù)量的增加，位錯(cuò)會(huì)累積形成駐留滑移帶；駐留滑移帶再逐漸增大后就形成了微裂紋，微裂紋不斷擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋[1]。宏觀裂紋產(chǎn)生后，材料內(nèi)部的應(yīng)力集中更加明顯，會(huì)加劇材料的斷裂失效。因此，若能在金屬疲勞的初期，即微裂紋的萌生初期對材料內(nèi)部的微小損傷進(jìn)行檢測，對構(gòu)件使用壽命做出評價(jià)，進(jìn)而采取后續(xù)處理措施，將大大降低工業(yè)生產(chǎn)中的事故率。

超聲波在薄板結(jié)構(gòu)中常以Lamb波的形式存在，當(dāng)板材的厚度和所激勵(lì)的超聲波波長數(shù)量級相同時(shí)，縱波和橫波會(huì)在薄板材中合成出一種特殊的應(yīng)力波[2]，即Lamb波。造成超聲波衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收[3]。然而金屬處于疲勞初期時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的微小缺陷不能引起材料彈性模量的明顯改變，常規(guī)的線性Lamb波穿過微小缺陷時(shí)，模態(tài)不發(fā)生轉(zhuǎn)換，幅值變化不明顯，微小缺陷也就不能有效檢出。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲信號中的頻域信息被進(jìn)一步地開發(fā)利用，非線性超聲技術(shù)作為無損檢測領(lǐng)域的新技術(shù)，逐漸被應(yīng)用到材料的微小缺陷檢測中。BERMES[4]對比研究了6061鋁板和1100鋁板材料的非線性，驗(yàn)證了非線性Lamb波應(yīng)用于材料微小缺陷檢測中的可行性。鄧明析[5]對各向同性板材中的二次諧波的產(chǎn)生進(jìn)行了研究，并在固體板材中使用Lamb波進(jìn)行了損傷評價(jià)。JIAO等[6]等利用非線性Lamb波混頻技術(shù)，得出了非線性系數(shù)與裂紋長度成正比的結(jié)論。HYUNG等[7]用非線性超聲調(diào)制方法對3 mm厚的鋁合金板上26 mm長,15 μm寬的疲勞裂紋進(jìn)行了檢測。高桂麗等[8]的研究表明高次諧波可作為表征疲勞裂紋或缺陷的特征量，根據(jù)不同點(diǎn)的掃描結(jié)果可大致確定疲勞裂紋的位置。

然而試驗(yàn)中影響Lamb波非線性系數(shù)的因素有很多，主要分為兩個(gè)部分，其一是系統(tǒng)引入的非線性效應(yīng)，而通過控制試驗(yàn)條件將所用儀器設(shè)備參數(shù)設(shè)為一致，可排除其對非線性效應(yīng)的影響[9]；其二為材料自身微小缺陷以及材料內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的非線性效應(yīng)。殘余應(yīng)力是材料內(nèi)部不均勻塑性變形引起的自身保持平衡的彈性應(yīng)力[10]，如何區(qū)分微小缺陷引起的非線性效應(yīng)和殘余應(yīng)力引起的非線性效應(yīng)是目前研究的難點(diǎn)。筆者通過對比試驗(yàn)的方法探究了殘余應(yīng)力對Lamb波非線性效應(yīng)的影響，得到殘余應(yīng)力對Lamb波非線性效應(yīng)的影響趨勢，可為鋁合金板材的檢測提供更多參考依據(jù)，使無損檢測技術(shù)在材料的壽命評價(jià)上更加成熟。

1 超聲非線性效應(yīng)理論

非線性超聲檢測是在有限振幅激勵(lì)下，超聲波能量較高時(shí)，超聲波與構(gòu)件中如微裂紋、孔隙等微小缺陷相互作用后，會(huì)產(chǎn)生非線性的諧波分量，其本質(zhì)上反映的是微小缺陷對材料非線性的影響，檢測的特征參數(shù)并不受限于缺陷和損傷的大小[11]。非線性超聲檢測法就是發(fā)射一個(gè)高能量的單一頻率超聲波，通過超聲波與構(gòu)件材料的相互作用，檢測接收回波中是否存在諧波分量以及諧波能量的大小，來判定是否存在微小缺陷以及判斷缺陷的尺寸。

筆者通過有限振幅法激發(fā)材料的非線性效應(yīng)來反映材料的疲勞程度，選用二階相對非線性系數(shù)來表征有限振幅聲波非線性產(chǎn)生的程度[12]，其表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：A1為基頻Lamb波幅值；A2為二倍頻Lamb波幅值。

縱波的非線性規(guī)律同樣適用于Lamb波，當(dāng)Lamb波基頻相速度與二次諧波相速度一致時(shí)，材料中所激發(fā)出來的Lamb波的非線性效應(yīng)最好[13]。

2 試樣設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用厚度為3 mm的6061鋁合金薄板，其密度為2 700 kg·m3，彈性模量E為75.6 GPa，泊松比ν為0.33。常溫下，6061鋁合金的彈性極限在330 MPa左右，抗拉極限在390 MPa左右。

由于超聲波傳播時(shí)存在一定的擴(kuò)散角，為避免接收到側(cè)壁邊沿反射回來的超聲波，試樣寬度設(shè)置為75 mm。試樣的尺寸(長×厚)為300 mm×3 mm。試樣的加工尺寸如圖1所示。

圖1 試件加工尺寸

微裂紋的預(yù)制方法為：首先在試樣表面利用電火花打一個(gè)尺寸(長×寬×深)為25 mm×0.2 mm×0.2 mm的凹槽，以利于試樣兩端受到拉伸時(shí)凹槽處的應(yīng)力更加集中。采用最大載荷為500 kN的Instron壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，對上述板狀試樣進(jìn)行室溫狀態(tài)下的拉伸疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用應(yīng)力控制的模式，最大力設(shè)置為30 kN,應(yīng)力比為0.1，加載波形為正弦波，頻率固定為14 Hz。

在此疲勞條件下，該規(guī)格試樣總的疲勞壽命為5.2萬次，設(shè)計(jì)8塊疲勞程度不同的試樣，編號依次為1號至8號，每塊試樣遞增6500次循環(huán)。8塊試樣的累計(jì)疲勞次數(shù)如表1所示。

表1 試樣累計(jì)疲勞次數(shù)

3 試驗(yàn)研究

3.1 模態(tài)選擇和探頭制作

圖2 鋁合金板Lamb波相速度頻散曲線和 群速度頻散曲線

鋁合金板Lamb波的頻散曲線如圖2所示。根據(jù)3 mm厚鋁板的Lamb波頻散曲線，選擇S1模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。該模態(tài)相對易于激發(fā)，符合相速度匹配要求，非線性激發(fā)效率高，且由于群速度快，能夠很好地從其他Lamb波模態(tài)中篩選出該模態(tài)。為減小探頭阻尼塊引入的非線性效應(yīng)，試驗(yàn)采用自制探頭進(jìn)行Lamb波非線性系數(shù)的測量。

Lamb波的激勵(lì)方法為縱波斜入射，自制發(fā)射探頭晶片選用頻率為1.25 MHz，直徑為20 mm的PT(鈦酸鉛)晶片，接收探頭選用頻率為2.5 MHz，直徑為20 mm的PT晶片，斜楔材料為有機(jī)玻璃。根據(jù)試樣板厚和所選的Lamb波模態(tài)及激勵(lì)晶片頻率，在相速度頻散曲線上可讀取到，頻厚積為3.75 MHz·mm時(shí)，S1模態(tài)對應(yīng)的相速度Cp為6 230 m·s-1，有機(jī)玻璃中縱波的速度Cs為2 700 m·s-1，利用公式θ=arcsin(Cs/Cp)計(jì)算得到有機(jī)玻璃斜楔的角度θ為25.7°。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

設(shè)備主要采用美國 Ritec公司生產(chǎn)的 Ritec-SNAP-5000非線性超聲測量系統(tǒng)。試驗(yàn)采用一發(fā)一收的方式進(jìn)行，發(fā)射探頭中心頻率為1.25 MHz，接收探頭中心頻率為2.5 MHz，探頭通過醫(yī)用耦合劑耦合放置在厚度為3 mm的鋁合金試件薄板上。試驗(yàn)過程中，通過示波器觀察波形，調(diào)節(jié)儀器參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)，RAM-5000-SNAP發(fā)射一個(gè)1.25 MHz的高能單頻脈沖信號到達(dá)發(fā)射晶片激勵(lì)出超聲波，再通過斜楔在鋁合金板上形成主模態(tài)為S1的Lamb波；接收部分分為兩個(gè)通道，通道Ch1為基頻波，信號從接收探頭經(jīng)過可調(diào)衰減器返回儀器內(nèi)部，通道Ch2接收二次諧波，探頭接收到信號后經(jīng)過2.5 MHz 帶通濾波，儀器內(nèi)部再對接收到的兩個(gè)通道信號分別進(jìn)行傅里葉變換，最后將頻域信息通過繪圖顯示出來。其測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 Lamb波非線性系數(shù)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

搭建系統(tǒng)后，先對一塊未加工凹槽的試樣進(jìn)行測試，探頭置于鋁板中心線的位置。調(diào)節(jié)上位機(jī)控制面板上的參數(shù)，測試條件為：激發(fā)頻率為1.25 MHz，考慮到要減小Lamb波的頻散現(xiàn)象，周期數(shù)選為15，積分率為1 100，電壓為50 V，加漢寧窗調(diào)試[14]，一通道衰減19 dB，二通道增益28 dB。計(jì)算相對非線性系數(shù)時(shí)，記錄一通道基波1.25 MHz附近處對應(yīng)的最高幅值，記為A1；記錄二通道二次諧波2.5 MHz處附近對應(yīng)的幅值，記為A2，最后計(jì)算相對非線性系數(shù)β。

3.3 Lamb波非線性系數(shù)測試及應(yīng)力測試結(jié)果

測試現(xiàn)場如圖4所示，對制作的疲勞程度不同的8塊試樣，依次進(jìn)行Lamb波非線性系數(shù)的測量，記錄得到的Lamb波相對非線性系數(shù)β，然后在試塊無凹槽面幾何中心點(diǎn)用Stress 3000型X射線應(yīng)力分析儀進(jìn)行應(yīng)力測試，記錄未去應(yīng)力時(shí)凹槽處的殘余應(yīng)力值σ。測量完畢后，對8塊試樣進(jìn)行熱處理，熱處理?xiàng)l件為：使用去應(yīng)力時(shí)效設(shè)備(箱式電阻爐YTH-5-12)，在溫度(200±5) ℃下，保溫6 h，取出空冷[15]。熱處理完畢后，重復(fù)之前操作，記錄得到去應(yīng)力后的Lamb波相對非線性系數(shù)β′和殘余應(yīng)力σ′。未去應(yīng)力及去應(yīng)力后的Lamb波非線性系數(shù)和基波幅值如表2所示，殘余應(yīng)力值如表3所示。

表2 未去應(yīng)力及去應(yīng)力后的Lamb波 非線性系數(shù)和基波幅值

圖4 Lamb波非線性系數(shù)測試現(xiàn)場

MPa

由表2中數(shù)據(jù)可看出，在鋁合金薄板試樣的整個(gè)疲勞微裂紋擴(kuò)展過程中，試樣未去應(yīng)力與去應(yīng)力時(shí)的Lamb波非線性系數(shù)都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但殘余應(yīng)力大小與試樣疲勞程度沒有單調(diào)關(guān)系，去應(yīng)力前試樣中殘余應(yīng)力的平均值為51.8 MPa，去應(yīng)力后試樣中殘余應(yīng)力的平均值為18.0 MPa，平均減小量為33.8 MPa。

圖5 去應(yīng)力前后Lamb波基波幅值和非線性系數(shù)曲線

將表2中數(shù)據(jù)繪成曲線，如圖5所示，可得到試樣在整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程中，Lamb波非線性系數(shù)的變化趨勢，對比未去應(yīng)力和去應(yīng)力后的兩條曲線可發(fā)現(xiàn)：

(1) Lamb波相對非線性系數(shù)隨試樣疲勞程度的增加呈先增大后減小的趨勢，在前5塊試樣中依次增大，5號試樣達(dá)到最大值，隨著疲勞程度的增加而減小。在整個(gè)循環(huán)試驗(yàn)過程中Lamb波基波幅值變化不大，直到7號試樣才略微下降。

(2) 前6塊試樣中，當(dāng)試樣中有殘余應(yīng)力時(shí)，其Lamb波相對非線性系數(shù)均大于試樣去應(yīng)力處理后的Lamb波相對非線性系數(shù)，7號和8號試樣則相反，有殘余應(yīng)力時(shí)Lamb波相對非線性系數(shù)小于去應(yīng)力處理后試樣的。

(3) 對比兩條Lamb波非線性系數(shù)曲線的差值可看出，前4塊試樣的Lamb波相對非線性系數(shù)差值明顯大于后4塊的，殘余應(yīng)力對金屬疲勞前半程非線性效應(yīng)的影響明顯大于對后半程的。

3.4 金相測試結(jié)果

依次對8塊試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，圖6為1～8號試樣的金相測試結(jié)果，圖6(a)～(h)依次對應(yīng)各試樣凹槽處剖面圖?？梢钥闯觯?～3號試樣凹槽周圍還處在位錯(cuò)階段，還沒有出現(xiàn)微裂紋。隨著疲勞程度的增加，4～8號試樣凹槽處均產(chǎn)生了一條微裂紋，長度從28.3 μm擴(kuò)展至195.1 μm。圖6(i)為試樣失效時(shí)的金相圖，此時(shí)微裂紋已擴(kuò)展成為宏觀裂紋，長度為1194.7 μm，寬度為65.8 μm。

圖6 試樣金相圖

結(jié)合金相試驗(yàn)和Lamb波非線性測試結(jié)果可看出，金屬疲勞初期最先是以位錯(cuò)的形式存在的，引起材料非線性效應(yīng)的主要因素是位錯(cuò)，當(dāng)對試樣進(jìn)行熱處理后，材料中殘余應(yīng)力被消除，試樣中的位錯(cuò)也隨之減少，因此導(dǎo)致去應(yīng)力后材料的超聲非線性效應(yīng)減小。當(dāng)疲勞程度加深后，材料中引起非線性效應(yīng)的主要因素變?yōu)榱宋⒘鸭y，熱處理并不能消除材料中已經(jīng)產(chǎn)生的微裂紋，所以，此時(shí)殘余應(yīng)力對材料超聲非線性效應(yīng)的影響明顯減小。

4 結(jié)論

在金屬疲勞失效的整個(gè)過程中，材料所激發(fā)的Lamb波非線性效應(yīng)隨著疲勞程度的加深，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。疲勞過程中，材料中的殘余應(yīng)力在46.4 MPa～58.5 MPa之間，其對Lamb波的非線性效應(yīng)也有一定的影響，在金屬疲勞初期達(dá)到疲勞總壽命的62.5%之前，非線性效應(yīng)主要由位錯(cuò)產(chǎn)生，殘余應(yīng)力的存在會(huì)增大材料的超聲非線性效應(yīng)；達(dá)到疲勞總壽命的62.5%之后，材料的非線性效應(yīng)主要由微裂紋引起，此時(shí)殘余應(yīng)力對材料超聲非線性效應(yīng)影響不大。因此,在金屬材料出現(xiàn)疲勞的初期進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜?yīng)力處理，可一定程度上延長材料的使用壽命。