金属材料力学性能退化非线性超声检测实验系统优化

　　0 引言

　　金属零部件在长期承受拉伸、压缩或交变载荷后所产生的力学性能退化是其断裂失效的主要原因。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探测材料中的孔、裂纹等宏观缺陷的存在和分布[1]。但是，上述线性物理参数对材料和结构早期力学性能退化时的位错、滑移带和微裂纹等微观缺陷的变化很不敏感[2]。

　　非线性声学是指有限振幅声波在介质中传播时发生的非线性现象，如波形畸变，谐波滋生等[3]。近年的相关研究表明，材料的早期力学性能退化与超声波的非线性效应密切相关[4 -6]。当单一频率的超声波在金属材料内部传播时与微观缺陷相互作用而发生畸变，导致高次谐波的产生。通过对这些高次谐波的检测，可以得到结构材料处于不同力学性能退化程度的超声非线性系数 β，从而对材料和结构的早期力学性能退化做出有效的无损检测和评估。但非线性超声对金属材料力学性能退化的检测仍然没有用于工程实际。这可能是因为表征材料非线性效应的非线性系数 β 非常小，很容易被实验仪器等所带来的谐波非线性干扰所淹没。因此，实验系统的研制和检测方法的研究是非线性超声无损检测技术研究的主要方向之一。

　　文中改进了一套超声非线性系数测试实验系统，通过实验验证了系统的可靠性。同时利用该系统进行了一组 LY12 铝合金拉伸试件非线性超声检测实验。

　　1 超声非线性系数

　　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，Cantrell，Breazeal 等[9]建立了固体介质内的非线性超声波动方程:

　　式中: ρ0为介质密度; K₂为二阶弹性常数( second-order elasticconstants，SOE) ，且 K₂与纵波波速的关系有 K2= ρ0c²; K³为三阶弹性常数( third-order elastic constants，TOE) 。

　　根据式( 6) ，对于给定的声波频率和波传播距离，通过对基波和二次谐波幅值 A₁和 A₂的测量，就可以确定材料的超声非线性系数。从而借助非线性系数来了解材料的微观结构和力学性能的退化情况。这就是进行材料力学性能退化的非线性超声无损检测和评价实验研究的理论基础。

　　2 实验方法和试件

　　2. 1 实验系统和方法

　　图 1 所示为在实验室内建立的测量材料超声非线性系数的实验系统示意图。系统主要包括信号发生器 33220A、功率放大器 AG1016、MTS810 材料疲劳实验机、高能低通滤波器、衰减器、发射和接收压电传感器、示波器、计算机和夹具。整个实验系统采用透射法测量基波和二次谐波的幅值。信号发生器产生的单频正弦波经功率放大器放大、高能低通滤波器滤除激励信号中的高频谐波分量后，驱动固定于被测试件一端的发射压电传感器，向试件中输入单一频率超声波。放置在试件另一端的接收压电传感器将采集包含有高频成分的非线性超声信号，然后对接收到的超声信号进行 FFT 变换，得到基波和二次谐波幅值，进而确定材料的超声非线性系数。