基于电磁超声的建筑用Q345钢冷塑性损伤检测

张志辉，李 峰

（1.郑州腾飞建设工程集团有限公司集团技术部，河南 郑州 450047；2.河南理工大学材料科学与工程学院，河南 郑州 451460）

根据金属构件在各阶段的使用性能变化情况，可以将其寿命周期分成初期性能退化、中期损伤积累以及最后的断裂失效共3 个阶段［1-2］。当结构钢受到拉伸、交变应力的综合作用以及外部因素的影响后，会引起服役过程发生塑性损伤以及产生微裂纹缺陷情况［3-4］。

进行塑性损伤测试时，文献［5-6］以非线性Lamb 波的方法对Q345-T6 与1100-H14 结构钢薄板发生塑性损伤情况进行测试，结果显示可以利用累积二次谐波评估材料结构损伤程度。文献［7］通过非线性纵波测试AZ31镁结构钢受拉伸时塑性损伤，结果显示当塑性损伤程度提高后，声学非线性参数（ANP）发生了单调上升的趋势。文献［8］通过非线性超声方法评价SS41 钢性能退化，结果显示纵波非线性系数表现为与应力大小等比变化的规律。文献［9］通过激光表面波的方法测定变形2024-T4结构钢的非线性系数。文献［10］以非线性电磁超声的方式综合评价了结构钢的拉伸变形情况，表明根据电磁超声纵波方式与非线性方法评价塑性拉伸载荷的变形程度能够满足要求。

电磁超声检测不需要使用耦合剂，可以适应多种材料表面以及良好的重复性，能够满足对金属材料进行非线性超声检测的要求［11-13］。本文分析了表面波引起的结构钢非线性塑性响应性能，构建得到应力应变、塑性损伤与超声非线性系数的相互作用关系，实现对材料力学特性与使用寿命进行评估的过程。通过CMT-5205 微机实现电子万能拉伸机对其实施非线性电磁超声测试。

1 电磁超声检测原理

利用电磁超声换能器（EMAT）激发得到超声波，当其作用于不同应变的塑性区时，将会引起材料内部组织发生非线性应变，从而造成非线性畸变的结果，形成了包含二次谐波的高次谐波［14-15］。

塑性损伤是材料发生硬化时产生的不可逆变形，同时因为位错结构应力应变特征受到周围区域的直接影响，从而导致局部区域发生非线性应力应变情况，因此超声应力波在该区域出现较大的非线性扰动，导致高次谐波的产生。

固体介质非线性应力应变表达式为

式中：σ为应力；ε为应变；E为弹性模量；β、γ分别为二次、三次谐波幅值。

在表面波中包含了非均匀纵波和横波两个部分，可以将位移分量分解为纵向与剪切方向的2 个分量。3 阶弹性常数具有对称性的特点，从而在各向同性材料中不会表现出剪切波的声学非线性，使得纵波分量成为表面波中声学非线性的一个重要影响因素。

2 实验方案

室温状态下，根据GB/T 228.1—2010对建筑用10 mm 厚的Q345钢加工得到拉伸试样。试样各尺寸参数如图1所示。

图1 拉伸试件尺寸Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen size

通过CMT-5205 微机实现电子万能拉伸机的运动控制，完成试件的准静态力学性能表征，为达到准静态加载的效果，设定加载速率2.0 mm/min。为控制试件中间区域形成应力集中并发生塑性损伤，为中部区域设置了一对长度3 mm 与宽度0.2 mm 的开口。通过离线测试的方法，将加载到不同应变程度的标准试件进行卸载后，再对其实施非线性电磁超声测试。

非线性电磁超声测试系统由激发端EMAT、Ritec-SNAP-5000、接收端PZT、放大器、示波器、阻抗匹配电路、滤波器、被测部件共同组成，具体如图2 所示。设定激发线圈的频率为1.6 MHz，磁铁的剩余磁通密度为1.2 T［16］。

图2 超声检测系统Fig.2 Ultrasonic testing system

经过测试拉伸载荷80 kN 后试件拉断断裂，形成的应力应变曲线如图3所示。本试验研究2个变化参数——拉伸载荷和加载速率。考虑到本文用的材料Q345钢主要用于汽车轻量化领域。实际情况，变化参数取值范围为拉伸载荷20～80 kN，加载速率为1～3。

图3 应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve

为避免受到重叠效应的影响，控制激发信号中心频率为1.6 MHz，同时包含了5 个周期的汉宁窗函数tone-burst 信号，得到如图4 所示的激励电流波形。

图4 激励电流信号波形Fig.4 Exciting current signal waveform

当材料受到拉伸载荷作用后会产生非线性应力应变情况，试件趋肤层受到EMAT 激发作用后形成表面波并传播到被测铝板处，超声波和材料作用后形成非线性畸变，同构接收端表面波PZT探头探测超声波畸变信号，并分析引起畸变的各作用因素。

3 实验结果分析

3.1 拉伸载荷结果

不同拉伸载荷试件应力和应变结果统计如表1所示。由表1 可知，随着拉伸载荷的增加，应力表现出先增加后减小的变化，最大值发生在拉伸载荷60 kN处。

表1 不同拉伸载荷试件的应力和应变结果统计Tab.1 Statistics of stress and strain results of specimens under different tensile loads

选择塑性损伤程度不同的试件作为样本，将各试件设置在同样的检测位置，每个试样分别测试3次，同时记录二次谐波的幅值。处理接收端获取的信号，采集除主冲击波以外的第一个波形信号进行频谱分析，从中提取出基波幅值和二次谐波幅值，之后计算得到非线性系数。

令二次谐波幅值为

式中：A1为基波幅值；A2为二次谐波幅值；k为波数；β为非线性系数。

对采获得的时域波包数据实施频域转换。为便于观测频域波形，采用归一化方法处理基波幅值得到归一化频谱幅值如图5 所示。可以发现，拉伸载荷小于60 kN 时，形成了更大幅度的二次谐波；拉伸载荷大于60 kN 后试件发生了二次谐波幅的显著减小，表明二次谐波幅能够放映出来试件塑性损伤程度。

图5 归一化频谱幅值Fig.5 Normalized spectral amplitude

对实验结果开展深入分析，重点分析了二次谐波的幅值改变情况，研究非线性系数和塑性损伤程度关系，得到的结果如表2所示。

表2 不同拉伸载荷试件的二次谐波幅值和非线性系数分布Tab.2 Second harmonic amplitude and nonlinear coefficient distribution under different tensile loads

3.2 加载速率结果

不同加载速率试件应力和应变结果统计如表3所示。由表3 可知：随着加载速率的增加，应力表现出先增加后减小的变化，最大值发生在加载速率2 mm/min处。

表3 不同加载速率试件的应力和应变结果统计Tab.3 Statistics of stress and strain results of specimens under different tensile loads

不同拉伸载荷试件的二次谐波幅值和非线性系数分布如表4 所示。可以发现，加载速率小于2 mm/min 时，形成了更大幅度的二次谐波；加载速率大于2 mm/min 后，试件发生了二次谐波幅的显著减小。

表4 不同加载速率试件的二次谐波幅值和非线性系数分布Tab.4 Second harmonic amplitude and nonlinear coefficient distribution under different tensile loads

3.3 结果分析

分析表2、表4 中二次谐波幅值结果可知：当在试件中设置不同应变程度的塑性损伤后，都形成了比未塑性损伤试件更大的二次谐波变化幅度，这是因为试件发生塑性损伤时，超声波传播时会形成高次谐波。提高塑性损伤程度后，材料受到超声波后发生了更明显的非线性应力应变，引起更明显的超声波畸变。拉伸载荷80 kN试件容易在拉伸中部产生明显颈缩情况，由颈缩切面空隙构成了不连续分布的微裂纹区，导致二次谐波幅值发生了快速减小。

4 结论

（1）应变达到7%以下试件塑性损伤程度提高后，形成了更大幅度的二次谐波，应变达到7%以上试件发生了二次谐波幅的显著减小。

（2）试件不同应变程度的塑性损伤后，形成了比未塑性损伤试件更大的二次谐波变化幅度。提高塑性损伤程度后，材料受到超声波后发生了非线性应力应变，引起更明显的超声波畸变。应变达到7%以上时，材料发生了颈缩，结构钢试件应力也发生了减小。