专利名称：利用非线性瑞利波检测材料早期力学性能退化的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用非线性瑞利波无损检测金属材料早期力学性能退化的方法，属于无损检测领域。

背景技术：
机械零部件由于长期承受拉伸、压缩或交变载荷而产生力学性能退化，最终断裂失效是一种非常普遍的现象。金属零部件力学性能退化在微观上主要分为三个阶段位错的大量产生以及驻留滑移带的形成、滑移带的增多和微裂纹的成核长大、宏观裂纹的产生以及最后的断裂失效。对于设计良好的结构元件来说，第一和第二阶段一般占金属零部件整个疲劳寿命的60％～80％。因此，发展金属材料早期力学性能退化的有效检测和评价手段就显的十分重要。现有的超声无损检测技术利用波的时程、声速和衰减等线性物理参数已经可以检测材料中宏观裂纹的存在和分布。但是，上述线性物理参数对出现宏观裂纹前的材料早期力学性能退化很不敏感。
非线性超声无损检测方法利用声波在金属材料中传播时的非线性效应(即波形畸变、谐波产生等)可以对材料的早期力学性能退化进行检测。目前的研究多是利用纵波非线性来测量材料的超声非线性系数，无法对板结构的力学性能退化进行检测。另外，由于表征材料非线性效应大小的非线性系数β非常小，很容易被检测仪器等带来的非线性所淹没。因此，测量装置的研制和检测方法的研究仍然是非线性超声无损检测技术研究的主要方向之一。针对上述问题，提出一种利用非线性瑞利波检测金属材料早期力学性能退化的方法。


发明内容
本发明的目的在于提出一种利用瑞利波检测金属材料力学性能退化的方法，特别是针对金属板结构早期力学性能退化的无损检测方法。该方法可以在不破坏被测零部件的情况下，利用将发射传感器直接安装在试件的边缘发射单一频率的瑞利波，将中心频率为发射传感器二倍的接收传感器直接安装在试件的另一边来接收瑞利波信号，对接收到的瑞利波信号进行傅里叶变换后获得材料的超声非线性系数，通过对超声非线性系数的分析来了解材料力学性能退化的情况。
本发明提出的利用瑞利波检测金属材料早期力学性能退化的方法，其基本原理在于 由于固体介质的非线性，单一频率正弦超声波将与固体介质间产生非线性相互作用，从而产生高次谐波，非线性系数β可以表征材料的非线性效应，定义为 其中k＝ω/c为波数，ω为角频率，c为波速，A1和A2分别为基波和二次谐波幅值，x为波传播的距离。对于给定的频率和样品长度，通过对基波和二次谐波幅值的测量，就可以确定材料的超声非线性系数。金属材料的非线性主要来自于位错、晶带滑移等微观缺陷。不同疲劳损伤程度具有不同的微观缺陷组态，非线性系数的大小也不同，从而借助非线性系数来了解材料的早期力学性能退化情况。
本发明采用如下的技术方案。如图1所示，应用以下装置，该装置由信号发生器、功率放大器、高能低通滤波器依次连接、高能低通滤波器一路连接衰减器，另一路连接被测试件，在被测试件两端的分别安装发射传感器和接收传感器，衰减器和接收传感器连接示波器，示波器连接计算机； 各部分的功能如下 信号发生器1可根据输入的被测试件参数和选择的信号频率、周期数和幅值自动生成正弦脉冲信号。功率放大器2将信号发生器1所产生的波形进行放大。高能低通滤波器3的功能则是在检测过程中滤除由功率放大器2射频门产生的6MHz以上的高频谐波信号。被放大到280V-320V之间的高电压发射信号通过同轴电缆一路传至发射传感器5，一路信号经过衰减器4衰减后作为监测信号输入示波器7，通过监测信号可以控制输入发射传感器信号的幅值。通过发射传感器5发射信号被耦合入被测试件。安装在另一侧的接收传感器6检测通过被测试件表面传播过来的瑞利表面波信号，并送给示波器7进行显示和保存。
为了发射最强的信号，发射传感器5的中心频率和发射信号频率一致。为了接收到最强的二次谐波信号，接收传感器7的中心频率为发射传感器5中心频率的2倍。发射传感器5、接收传感器6通过耦合剂与被测试件接触。
为了在被测试件中有效发射瑞利波，根据Snell定律，c1sinθ2＝c2sinθ1，其中c1为入射材料的波速，c2为被测试件材料波速，θ1为入射角，θ2为折射角，当入射角θ1达到第二临界角时，在被测试件里发射瑞利波的效率最高。
示波器7与计算机8是负责信号的接收、显示和处理。通过计算机8对非线性超声信号进行处理，计算出超声非线性系数β，并依据β来了解被测试件的早期力学性能退化情况。
本发明提出的利用非线性瑞利波无损检测金属材料早期力学性能退化的方法是按以下步骤进行的 1)将所选发射信号频率、周期数等参数输入信号发生器1生成所需单一音频信号。根据被测试件的波速确定发射信号入射角度θ。按照选定的入射角θ，装配发射和接收传感器。
2)给被测试件进行拉伸或疲劳加载，使被测试件产生力学性能退化。在被测试件拉伸或疲劳加载的过程中，等时间间隔采集非线性瑞利波信号。
采集非线性瑞利波信号具体步骤如下 由信号发生器1产生的的单一音频超声信号被送至功率放大器2进行放大后，通过高能低通滤波器3滤除由功率放大器产生的6MHz以上高频谐波信号，然后该信号一路被传至衰减器4，根据衰减器4提供的信号，调节信号发生器使驱动发射传感器信号峰峰值达到300V，并在实验中保持稳定。另一路被传输至发射传感器5，在被测试件中发射瑞利波。对称安装在另一侧的接收传感器6采集通过被测试件传播过来的瑞利波信号，并送给示波器7进行显示和保存。利用计算机8对示波器7保存的信号进行傅里叶变换，获取基波幅值A1和二次谐波幅值A2，并通过式(1)计算超声非线性系数β，依据β来了解被测试件的早期力学性能退化情况。
3)如果试件断裂，结束检测。
本发明主要具有以下优点(1)采用将传感器直接安装在试件的边缘来发射和接收瑞利波可以提高信号的发射和接收效率，减小传感器和被测试件耦合带来的非线性影响。(2)瑞利波具有在光滑曲面传播而不发生反射，能量主要集中在表面而便于采集，传播距离远等优点，所以利用非线性瑞利波检测金属材料的力学性能退化相比与纵波有独特的优势。(3)发射接收均采用压电传感器相比于激光干涉仪等非接触式测量方式对检测环境的要求更低，容易适用于工程实际。(4)实现了对被测试件的连续在线检测。



图1检测装置原理图； 图中1、信号发生器，2、功率放大器，3、高能低通滤波器，4、衰减器，5、发射传感器，6、接收传感器，7、示波器，8、计算机。
图2检测方法流程图； 图3非线性瑞利波检测信号图； (a)接收信号，(b)基波和二次谐波幅值 图4疲劳周数与超声非线性系数的关系曲线。

具体实施例方式 下面结合图1～图4详细说明本实施例。
本实验例中被测试件为厚6mm，长150mm，宽42mm的AZ31镁合金狗骨板件。密度为1770kg/m3，纵波波速为5763m/s。屈服极限199MPa，强度极限259MPa。
1)根据发射传感器中心频率确定发射信号频率为5MHz，周期数为15的正弦脉冲串。一对中心频率分别为5MHz和10MHz的Panametrics窄带PZT超声直探头作为发射和接收传感器。根据镁合金纵波波速可确定声波入射角为23° 2)根据图1检测装置原理图搭建检测系统。利用MTS810材料疲劳实验机对被测试件进行疲劳加载，加载应力取屈服极限的±65％(±129MPa)，疲劳加载频率10Hz。
3)根据衰减器4提供的信号，调节信号发生器使驱动发射传感器信号峰峰值达到300V，并在实验中保持稳定。
4)首先测量未疲劳时的超声非线性系数，然后每疲劳4000周，测量一次非线性瑞利波超声信号。
采集非线性瑞利波信号具体步骤如下 由信号发生器1产生的单一音频超声信号，被送至功率放大器2进行放大后，通过高能低通滤波器3滤除由功率放大器产生的高频谐波信号，然后该信号被传输至发射传感器5，在被测试件中发射瑞利波。安装在另一侧的接收传感器检测通过被测试件传播过来的瑞利波信号如图3(a)所示，并送给示波器7进行显示和保存。利用计算机8对示波器7保存的信号进行傅里叶变换，获取频率在5MHz位置的基波幅值A1如图3(b)所示和频率在10MHz位置的二次谐波幅值A2如图3(b)所示，并通过式(1)计算超声非线性系数β，根据非线性系数的大小了解被测试件的早期力学性能退化情况。
5)试件在疲劳31600周断裂，结束检测。
所测量的未疲劳试件的超声非线性系数用β0表示，疲劳加载的过程中在线测量的超声非线性系数β表示，利用β/β0对超声非线性系数进行归一化。得到图4所示疲劳周数与超声非线性系数的关系，可以看出随疲劳周数的增加，超声非线性系数增大。表明此方法可以检测材料早期力学性能退化问题。
权利要求
1.利用非线性瑞利波无损检测金属材料早期力学性能退化的方法，其特征在于，应用以下装置，该装置由信号发生器、功率放大器、高能低通滤波器依次连接、高能低通滤波器一路连接衰减器，另一路连接被测试件，在被测试件两端的分别安装发射传感器和接收传感器，衰减器和接收传感器连接示波器，示波器连接计算机；
按以下步骤进行的
1)信号发生器生成单一音频信号；根据被测试件的波速确定发射信号入射角度θ；按照入射角θ，装配发射和接收传感器；
2)给被测试件进行拉伸或疲劳加载，使被测试件产生力学性能退化；在被测试件拉伸或疲劳加载的过程中，等时间间隔采集非线性瑞利波信号；
采集非线性瑞利波信号具体步骤如下
由信号发生器产生的单一音频超声信号被送至功率放大器进行放大后，通过高能低通滤波器滤除由功率放大器产生的6MHz以上高频谐波信号；然后该信号一路经过衰减器衰减后作为监测信号输入示波器，通过监测信号可以控制输入发射传感器信号的幅值；另一路被传输至发射传感器，在被测试件中发射瑞利波信号；对称安装在另一侧的接收传感器采集通过被测试件传播过来的瑞利波信号，并送给示波器进行显示和保存；利用计算机对示波器保存的信号进行傅里叶变换，获取基波幅值A1和二次谐波幅值A2，并通过式(1)计算超声非线性系数β，依据β来了解被测试件的早期力学性能退化情况；
式(1)
其中k＝ω/c为波数，ω为角频率，c为波速，A1和A2分别为基波和二次谐波幅值，x为波传播的距离；如果试件断裂，结束检测。
全文摘要
利用非线性瑞利波检测材料早期力学性能退化的方法属于无损检测领域。本发明步骤将所选发射信号频率、周期数等参数输入信号发生器生成所需单一音频信号，根据被测试件的波速确定发射信号入射角度θ；在被测试件拉伸或疲劳加载的过程中，等时间间隔采集非线性瑞利波信号；并进行傅里叶变换，获取基波幅值和二次谐波幅值，计算超声非线性系数β，依据β来了解被测试件的早期力学性能退化情况。本发明采用将传感器直接安装在试件的边缘来发射和接收瑞利波可以提高信号的激发和接收效率，减小传感器和被测试件耦合带来的非线性影响；激励接收均采用压电传感器更容易适用于工程实际；实现了对被测试件的连续在线检测。
文档编号G01N29/04GK101813667SQ20101015243
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者吴斌, 颜丙生, 李佳锐, 何存富 申请人:北京工业大学