利用非线性表面波评价材料疲劳损伤

李海洋，史慧扬，王召巴

利用非线性表面波评价材料疲劳损伤

李海洋，史慧扬，王召巴

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051)

采用非线性Rayleigh表面波检测方法，实现了不同疲劳阶段下钢试样拉伸和腐蚀疲劳损伤的测试与评价；基于楔块换能器激发与接收声波方式，搭建非线性Rayleigh波检测系统，测量了不同激励水平下基波幅值平方与二次谐波幅值间的线性关系以及Rayleigh表面波二次谐波的累积效应；分别在拉伸载荷和腐蚀疲劳载荷下，采集非线性时域信号并进行频谱分析，测量声学非线性系数在不同疲劳阶段下变化趋势，并分析不同疲劳载荷对钢试样声学非线性系数的影响。实验结果表明：超声非线性系数与疲劳周期数呈单调递增关系，可以用声学非线性系数来表征材料的表面疲劳损伤程度；相比较周期性拉伸疲劳损伤，腐蚀疲劳试样的声学非线性系数会增大，是由于腐蚀环境会加重实验中钢试样的疲劳损伤程度。研究成果可为疲劳损伤无损检测与评价提供一定的指导意义。

腐蚀疲劳；Rayleigh表面波；非线性系数

0 引言

大量研究表明，对于承受循环载荷的金属结构，材料早期性能退化占据了整个疲劳寿命的80%～90%。在航空、航天、船舶等领域内钢结构工件起到重要支撑和防护作用。长期受到循环应力和腐蚀介质的作用，导致拉伸疲劳和腐蚀疲劳成为钢结构主要失效形式。疲劳损伤往往会造成钢结构表面力学性能劣化，一旦发生漏检就会对设备设施的安全运行造成重大威胁。

非线性超声检测技术利用有限振幅声波传播过程与材料微观结构发生相互作用产生的非线性行为可以实现待测工件疲劳损伤的检测，已经得到广泛认可和关注[1-5]。安志武等[6]采用纵波谐波法实现了粘接结构疲劳损伤的检测；XIANG Y X等[7]采用非线性Lamb波检测技术实现了高温蠕变损伤的检测。焦敬品等[8]采用混频法实现了闭合裂纹的检测。

相比于纵波二次谐波法、混频检测方法等非线性声学检测方法，Rayleigh 波具有能量主要集中在结构表面、传播距离远等优点，只需要在待测工件一侧放置激发和接收换能器即可实现待测工件表面损伤的评价，适用于钢材表面腐蚀疲劳损伤的检测。非线性Rayleigh表面波声学检测法对待测工件疲劳损伤的检测与评价已经取得了一定的成果。颜丙生等[9]等对镁合金厚板表面进行了疲劳损伤方面的研究。GUO S F等[10]、税国双等[11-12]采用激光干涉仪接收的非接触方法，测量了固体火箭表面涂层的非线性系数。HERRMANN J等[13]实现了镍基合金表面损伤的检测，并推导了一维非线性Rayleigh波位移公式。ZEITVOGEL D T等[14]利用空气耦合的超声接收方法，实现了待测材料非线性评价。高翠翠等[15]、李海洋等[16-17]利用声学非线性Rayleigh波对材料的疲劳损伤进行了研究。但对于钢材腐蚀疲劳检测与评价，非线性Rayleigh波无损检测技术尚存在继续研究的空间。

因此，本文采用楔块/换能器激发与接收方式，搭建了非线性Rayleigh波检测平台，测量了不同疲劳寿命阶段下拉伸疲劳损伤与腐蚀疲劳损伤钢材试样的相对非线性系数变化，并对比两种损伤下非线性系数不同特点，实现了钢材拉伸疲劳与腐蚀疲劳损伤的检测与评价。研究结果可为非线性声学检测技术的工业推广和应用提供实验经验和依据。

1 Rayleigh表面波的非线性系数

固体介质非线性一般通过高阶弹性常数来表征。单一频率的超声波在固体介质中传播时，会与该介质发生非线性作用导致声波时域波形畸变，体现在频域中出现高次谐波分量[9]。固体介质的非线性来源主要有两类：(1) 固体介质固有的晶格非谐和性；(2) 源自于位错、滑移带等晶格缺陷引起的非线性。定义固体介质的非线性系数为[11]

在各向同性固体材料中，采用Rayleigh表面波作为检测波型，且在一维传播情况下，HERMANN J求解非线性系数表达式为[13]

由式(3)可知，只需要测量基波与二次谐波的幅值，就可以计算相对非线性系数。

2 实验检测系统及样品制备

2.1 实验装置

本文基于楔块/换能器法激发和接收非线性声波，搭建了非线性超声检测系统。该实验系统采用周期数为20且激励信号的中心频率为5 MHz的tone-burst脉冲信号，并经过高能匹配电阻和5 MHz低通滤波器，作用在纵波发射换能器上，经楔块产生波型转换，在样品表面生成Rayleigh表面波，最终被接收楔块/换能器接收。由于二次谐波幅值较弱，易被淹没在系统噪声中，在接收前需要经过10 MHz的高通滤波器和放大量为20 dB的信号放大器放大，以增强二次谐波的接收信噪比。实验框图和实验平台分别如图1和图2所示。发射换能器和接收换能器的频谱图如图3(a)和3(b)所示，发射换能器的中心频率为5 MHz，带宽为2.5 MHz，该频谱特性会对实验系统的产生二次谐波信号起到抑制作用；接收换能器的中心频率为10 MHz，带宽为5 MHz，可实现二次谐波信号的有效接收，部分抑制其他频段噪声信号对二次谐波信号的影响。

图1 试验框图

图2 试验平台

图3 发射和接收换能器的频率响应曲线

2.2 样品的制备

采用Q235钢作为实验材料，制作两块试样，分别编号为1、2。试样的几何尺寸图如图4(a)所示。

采用高周疲劳方法制作腐蚀疲劳损伤和拉伸疲劳损伤的样品，其中腐蚀损伤采用浸泡法制作。在试样1和2分别加载正弦交变拉伸载荷，其疲劳频率为20 Hz，中心线为10 kN，振幅为6 kN。其中试样2加载拉伸载荷前，采用腐蚀介质浓度为10%的盐水浸泡，浸泡时间为20天。因此，1号试样为拉伸疲劳试样，2号为腐蚀疲劳试样(样品腐蚀后如图4(b)所示)。

3 实验结果

3.1 不同激励电信号对实验结果的影响

图4 实验样品

图5 基波幅值的平方与二次谐波幅值之间的关系

3.2 Rayleigh表面波二次谐波幅值的累积效应

非线性声波二次谐波在声波传播方向上具有距离累积效应[13]。利用上述实验平台对完好样品在不同传播距离下Rayleigh波的二次谐波幅值进行测量。在2～11 cm之间的测量间隔为0.5 cm，在11～15 cm之间的测量间隔为1 cm。测量Rayleigh波基波和谐波叠加的幅值如表1所示，二次谐波幅值与传播距离之间的关系如图6所示。

从图6中可知，传播距离为2～6 cm时，二次谐波幅值是震荡的，具有不稳定性，这是由于换能器的近场效应引起的；传播距离为6～15 cm时，由于远离换能器的近场影响，二次谐波幅值随着传播距离增加而增大，与传播距离近似为线性关系。由此可见，在实际测量过程中应保证激发换能器和接收换能器距离在6 cm以上，以避免换能器近场效应对检测结果的影响。此外，由表1可知，接收换能器接收到声信号幅值受到距离的影响不明显，因此在本文不考虑传播距离对声波衰减的作用。

表1 Rayleigh波幅值与距离关系

图6 试件中Rayleigh波的二次谐波幅值与传播距离之间的关系

3.3 相对非线性系数测量

基于上述非线性Rayleigh表面波的检测平台，对基波和二次谐波进行采集，其时域下的信号波形如图7所示。

对采集到的基波和二次谐波的时域信号进行快速傅里叶变换，得到两者的频谱如图8所示。将求得基波幅值和二次谐波幅值代入式(3)可得到相对非线性系数。

图8 基波和二次谐波的频谱

图9 归一化相对非线性系数与疲劳周期的关系

由图9可知，1号试样和2号试样的相对非线性声学系数都随着疲劳周数的增加呈单调增长趋势，且都在疲劳周数在40万次后基本保持不变；在总体疲劳寿命内，2号腐蚀疲劳试样的非线性系数总是大于1号拉伸疲劳试样的非线性系数。实验结果表明：非线性系数与疲劳周期数具有单调递增关系，可评价待测样品疲劳损伤；相对比拉伸疲劳损伤，腐蚀疲劳试样具有更大的非线性系数。

4 结论

通过文中的测试和分析得出以下结论：

(1) 该非线性声学检测平台测量的声学非线性来源于待测样品本身，且在检测过程中激励换能器与接收换能器的距离应保持在6 cm以上，以避免换能器近场对测量结果造成影响；

(2) 测量了不同疲劳周数下Q235钢试样的声学非线性系数，声学非线性系数与试样疲劳周数呈现单调递增的结果；

腐蚀疲劳后的试样具有更高的声学非线性效应，含有腐蚀介质的腐蚀环境加剧了试样的疲劳损伤程度。利用声学非线性系数来表征材料的疲劳损伤程度的变化情况是可行的。

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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

国家自然科学基金资助项目(11604304)；山西省高等学校科技创新项目(201657)；山西省重点研发计划(201603D121006-1)；山西省青年面上基金项目(201701D221127)

李海洋(1987－), 女, 黑龙江佳木斯人, 博士, 讲师, 研究方向为超声无损检测。

王召巴,E-mail: wangzb@nuc.edu.cn