李海洋，史慧揚(yáng)，王召巴

利用非線性表面波評(píng)價(jià)材料疲勞損傷

李海洋，史慧揚(yáng)，王召巴

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051)

采用非線性Rayleigh表面波檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了不同疲勞階段下鋼試樣拉伸和腐蝕疲勞損傷的測(cè)試與評(píng)價(jià)；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(cè)系統(tǒng)，測(cè)量了不同激勵(lì)水平下基波幅值平方與二次諧波幅值間的線性關(guān)系以及Rayleigh表面波二次諧波的累積效應(yīng)；分別在拉伸載荷和腐蝕疲勞載荷下，采集非線性時(shí)域信號(hào)并進(jìn)行頻譜分析，測(cè)量聲學(xué)非線性系數(shù)在不同疲勞階段下變化趨勢(shì)，并分析不同疲勞載荷對(duì)鋼試樣聲學(xué)非線性系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)系，可以用聲學(xué)非線性系數(shù)來(lái)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(xué)非線性系數(shù)會(huì)增大，是由于腐蝕環(huán)境會(huì)加重實(shí)驗(yàn)中鋼試樣的疲勞損傷程度。研究成果可為疲勞損傷無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供一定的指導(dǎo)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(duì)于承受循環(huán)載荷的金屬結(jié)構(gòu)，材料早期性能退化占據(jù)了整個(gè)疲勞壽命的80%～90%。在航空、航天、船舶等領(lǐng)域內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)工件起到重要支撐和防護(hù)作用。長(zhǎng)期受到循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用，導(dǎo)致拉伸疲勞和腐蝕疲勞成為鋼結(jié)構(gòu)主要失效形式。疲勞損傷往往會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)表面力學(xué)性能劣化，一旦發(fā)生漏檢就會(huì)對(duì)設(shè)備設(shè)施的安全運(yùn)行造成重大威脅。

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

相比于縱波二次諧波法、混頻檢測(cè)方法等非線性聲學(xué)檢測(cè)方法，Rayleigh 波具有能量主要集中在結(jié)構(gòu)表面、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，只需要在待測(cè)工件一側(cè)放置激發(fā)和接收換能器即可實(shí)現(xiàn)待測(cè)工件表面損傷的評(píng)價(jià)，適用于鋼材表面腐蝕疲勞損傷的檢測(cè)。非線性Rayleigh表面波聲學(xué)檢測(cè)法對(duì)待測(cè)工件疲勞損傷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)已經(jīng)取得了一定的成果。顏丙生等[9]等對(duì)鎂合金厚板表面進(jìn)行了疲勞損傷方面的研究。GUO S F等[10]、稅國(guó)雙等[11-12]采用激光干涉儀接收的非接觸方法，測(cè)量了固體火箭表面涂層的非線性系數(shù)。HERRMANN J等[13]實(shí)現(xiàn)了鎳基合金表面損傷的檢測(cè)，并推導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了待測(cè)材料非線性評(píng)價(jià)。高翠翠等[15]、李海洋等[16-17]利用聲學(xué)非線性Rayleigh波對(duì)材料的疲勞損傷進(jìn)行了研究。但對(duì)于鋼材腐蝕疲勞檢測(cè)與評(píng)價(jià)，非線性Rayleigh波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)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(cè)平臺(tái)，測(cè)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(duì)非線性系數(shù)變化，并對(duì)比兩種損傷下非線性系數(shù)不同特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋼材拉伸疲勞與腐蝕疲勞損傷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為非線性聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的工業(yè)推廣和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)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(guò)高階彈性常數(shù)來(lái)表征。單一頻率的超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)與該介質(zhì)發(fā)生非線性作用導(dǎo)致聲波時(shí)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(lái)源主要有兩類(lèi)：(1) 固體介質(zhì)固有的晶格非諧和性；(2) 源自于位錯(cuò)、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(cè)波型，且在一維傳播情況下，HERMANN J求解非線性系數(shù)表達(dá)式為[13]

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

2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)及樣品制備

2.1 實(shí)驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用周期數(shù)為20且激勵(lì)信號(hào)的中心頻率為5 MHz的tone-burst脈沖信號(hào)，并經(jīng)過(guò)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(méi)在系統(tǒng)噪聲中，在接收前需要經(jīng)過(guò)10 MHz的高通濾波器和放大量為20 dB的信號(hào)放大器放大，以增強(qiáng)二次諧波的接收信噪比。實(shí)驗(yàn)框圖和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的產(chǎn)生二次諧波信號(hào)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(shí)現(xiàn)二次諧波信號(hào)的有效接收，部分抑制其他頻段噪聲信號(hào)對(duì)二次諧波信號(hào)的影響。

圖1 試驗(yàn)框圖

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)

圖3 發(fā)射和接收換能器的頻率響應(yīng)曲線

2.2 樣品的制備

采用Q235鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，制作兩塊試樣，分別編號(hào)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(shí)間為20天。因此，1號(hào)試樣為拉伸疲勞試樣，2號(hào)為腐蝕疲勞試樣(樣品腐蝕后如圖4(b)所示)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同激勵(lì)電信號(hào)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品

圖5 基波幅值的平方與二次諧波幅值之間的關(guān)系

3.2 Rayleigh表面波二次諧波幅值的累積效應(yīng)

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(yīng)[13]。利用上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)完好樣品在不同傳播距離下Rayleigh波的二次諧波幅值進(jìn)行測(cè)量。在2～11 cm之間的測(cè)量間隔為0.5 cm，在11～15 cm之間的測(cè)量間隔為1 cm。測(cè)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(guān)系如圖6所示。

從圖6中可知，傳播距離為2～6 cm時(shí)，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(chǎng)效應(yīng)引起的；傳播距離為6～15 cm時(shí)，由于遠(yuǎn)離換能器的近場(chǎng)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(guān)系。由此可見(jiàn)，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。此外，由表1可知，接收換能器接收到聲信號(hào)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(duì)聲波衰減的作用。

表1 Rayleigh波幅值與距離關(guān)系

圖6 試件中Rayleigh波的二次諧波幅值與傳播距離之間的關(guān)系

3.3 相對(duì)非線性系數(shù)測(cè)量

基于上述非線性Rayleigh表面波的檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)基波和二次諧波進(jìn)行采集，其時(shí)域下的信號(hào)波形如圖7所示。

對(duì)采集到的基波和二次諧波的時(shí)域信號(hào)進(jìn)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(duì)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(duì)非線性系數(shù)與疲勞周期的關(guān)系

由圖9可知，1號(hào)試樣和2號(hào)試樣的相對(duì)非線性聲學(xué)系數(shù)都隨著疲勞周數(shù)的增加呈單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且都在疲勞周數(shù)在40萬(wàn)次后基本保持不變；在總體疲勞壽命內(nèi)，2號(hào)腐蝕疲勞試樣的非線性系數(shù)總是大于1號(hào)拉伸疲勞試樣的非線性系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：非線性系數(shù)與疲勞周期數(shù)具有單調(diào)遞增關(guān)系，可評(píng)價(jià)待測(cè)樣品疲勞損傷；相對(duì)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(jié)論

通過(guò)文中的測(cè)試和分析得出以下結(jié)論：

(1) 該非線性聲學(xué)檢測(cè)平臺(tái)測(cè)量的聲學(xué)非線性來(lái)源于待測(cè)樣品本身，且在檢測(cè)過(guò)程中激勵(lì)換能器與接收換能器的距離應(yīng)保持在6 cm以上，以避免換能器近場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響；

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

腐蝕疲勞后的試樣具有更高的聲學(xué)非線性效應(yīng)，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(xué)非線性系數(shù)來(lái)表征材料的疲勞損傷程度的變化情況是可行的。

[1] HHANG K A．Application of nonlinear Ultrasonics to the NDE of Material Degradation[J]. IEEE-UFFC, 2000, 47(3): 504-548．

[2] HIKATA A, CHICK B B, ELBAUM C．Dislocation contribution to the second harmonic generation of ultrasonic waves[J]．Journal of Applied Physics, 1965, 36(1): 229-236.

[3] CANTRELL J H, YOST W T. Acoustic harmonic generation from fatigue-induced dislocation diploles[J]. Philosophical Magazine A, 1994, 69(2): 315-326．

[4] 郗敬宇. 金屬粘接界面固化性能和沖擊疲勞損傷的非線性超聲實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2013.

XI Jingyu. Nonlinear ultrasonic experimental research on the metal bonding interface’s curing properties and impact fatigue damage[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2013.

[5] 李海洋, 安志武, 廉國(guó)選, 等. 粗糙接觸界面超聲非線性效應(yīng)的概率模型[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 40(2): 247-253.

LI Haiyang, AN Zhiwu, LIAN Guoxuan, et al. A probability model for ultrasonic nonlinear effects of rough contact interface[J]. Acta Acustica, 2015, 40(2): 247-253.

[6] 安志武, 王小民, 毛捷, 等. 粘接界面的非線性彈簧模型[C]//中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)青年學(xué)術(shù)會(huì)議, 2011.

AN Zhiwu, WANG Xiaoming, MAO Jie, et al. Nonlinear Spring Model for Bonding Interface[C]//The Chinese Acoustic Society of the Youth Academic Conference, 2011.

[7] XIANG Y X, XUAN F Z, DENG M X. Evaluation of thermal degradation induced material damage using nonlinear lamb waves[J]. Chinese Physics Letters, 2010, 27(1): 190-193.

[8] 焦敬品, 樊仲祥, 吳斌, 等. 閉合裂紋非共線混頻超聲檢測(cè)試驗(yàn)研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 42(2): 205-213.

JIAO Jingpin, FAN Zhongxiang, WU Bin, et al. Experiments of non-collinear mixed frequency ultrasonic for closed crack detection[J]. Acta Acustica, 2017, 42(2): 205-213.

[9] 顏丙生, 吳斌, 何存富. 利用非線性Rayleigh波檢鎂合金厚板疲勞損傷的仿真和試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程報(bào), 2011, 47(18): 7-14.

YAN Bingsheng, WU Bin, HE Cunfu. Simulation and experiment of fatigue damage detection in magnesium thick plate using nonlinear Rayleigh wave[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(18): 7-14.

[10] GUO S F, ZHANG L, MIRSHEKARLOO M S, et al．Method and analysis for determining yielding of titanium alloy with nonlinear Rayleigh surface waves[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 669: 41-47.

[11] 稅國(guó)雙, 汪越勝, 曲建民, 等. 利用直接激發(fā)Rayleigh表面波的方法測(cè)量材料的聲學(xué)非線性系數(shù)[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 33(4): 378-384.

SHUI Guoshuang, WANG Yuesheng, QU Jianmin, et al. Evaluation of the acoustic nonlinearity parameter of materials with Rayleigh waves excited directly[J]. Acta Acustica, 2008, 33(4): 378-384.

[12] 稅國(guó)雙, 汪越勝, 曲建民. 金屬材料表面涂層損傷的非線性聲評(píng)價(jià)[J]. 固體火箭技術(shù), 2012, 35(5): 703-706.

SHUI Guoshuang, WANG Yuesheng, QU Jianmin. A method for nonlinear ultransonic evaluation of coating damage on metallic material[J]. Solid Rocket Technology, 2012, 35(5): 703-706.

[13] HERRMANN J, KIM J Y, JACOBS L J, et al. Assessment of material damage in a nickel-base superalloy using nonlinear Rayleigh surface waves[J]. Journal of Applied Physics, 2006, 99(12): 1479-1488．

[14] ZEITVOGEL D T, MATLACK K H, KIM J Y, et al. Characterization of stress corrosion cracking in carbon steel using nonlinear Rayleigh surface waves[J]. Ndt & E International, 2014, 62(2): 144-152.

[15] 高翠翠, 李海洋, 史慧揚(yáng), 等. 針對(duì)腐蝕疲勞損傷的非線性Rayleigh波檢測(cè)技術(shù)研究[C]//2017 年西安-上海聲學(xué)學(xué)會(huì)第五屆聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集, 2017.

[16] 李海洋, 潘強(qiáng)華, 王召巴. 金屬表面疲勞損傷的非線性Rayleigh波檢測(cè)方法[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2018, 401(8): 40-44.

LI Haiyang, PAN Qianghua, WANG Zhaoba. Nonlinear Rayleigh wave detection method for metal surface fatigue damage[J]. Nondestructive Testing, 2018, 401(8): 40-44.

[17] 李海洋, 高翠翠, 史慧楊, 等. Q235鋼疲勞損傷的非線性Rayleigh波檢測(cè)技術(shù)研究[J]. 中國(guó)測(cè)試, 2018, 237(4): 45-49.

LI Haiyang, GAO Cuicui, SHI Huiyang, et al. Study of nonlinear Rayleigh wave detection technique for fatigue damage in Q235 steel[J]. China Measurement & Test, 2018, 237(4): 45-49.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11604304)；山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(201657)；山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(201603D121006-1)；山西省青年面上基金項(xiàng)目(201701D221127)

李海洋(1987－), 女, 黑龍江佳木斯人, 博士, 講師, 研究方向?yàn)槌暉o(wú)損檢測(cè)。

王召巴,E-mail: wangzb@nuc.edu.cn