[实用新型]金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置，属于无损检测领域。

背景技术

机械零部件由于疲劳而断裂失效是一种非常普遍的现象，据估计，大约70％以上的机械零部件失效是由疲劳损伤所引起的。在外载荷的作用下，金属零部件的疲劳寿命一般可分为三个阶段：早期的力学性能退化(位错群的大量产生以及驻留滑移带和微裂纹的形成)、损伤的起始与积累(微裂纹的成核长大和宏观裂纹的产生)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对构件寿命的第二和第三阶段进行有效的检测和评估。但是，上述线性物理参数对材料和结构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)可以对材料的早期疲劳损伤进行检测。在疲劳早期，非线性系数β随疲劳周数的增加而增大。但在疲劳后期由于疲劳裂纹的大量出现，β反而减小，且分散性增大，如果单独利用非线性超声方法对疲劳早期损伤进行检测，容易出现误判。声发射技术作为一种“被动”探伤技术，可以通过对疲劳声发射信号的分析处理对疲劳裂纹进行连续监测，但声发射技术不能检测疲劳裂纹出现前的金属材料早期疲劳损伤情况。为解决这一问题，采用非线性超声和声发射技术共同检测金属材料零部件的早期疲劳损伤。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置，特别是针对疲劳早期损伤的无损检测方法。可以在不破坏被测零部件的情况下，利用非线性超声和声发射技术的配合有效检测金属零部件的疲劳损伤。金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置，其特征在于：该装置包括非线性超声检测模块和声发射监测模块；非线性超声检测模块依次包括有任意函数发生器、功率放大器、高能低通滤波器、被测试件、分别安装在被测试件两侧的激励传感器和接收传感器、示波器和计算机；声发射监测模块包括有安装在被测试件一侧的声发射传感器、声发射前置放大器、声发射仪；声发射仪也连接上述计算机。

本实用新型其基本原理在于：

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：

β=8(A2A12)1k2x---(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。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疲劳损伤情况。

如图5所示，在疲劳早期，非线性系数β随疲劳周数的增加而增大。但在疲劳后期由于疲劳裂纹的大量出现，β反而减小，且分散性增大，如果单独利用非线性超声方法对金属材料的早期疲劳损伤进行检测，容易出现误判。例如，图5中所示疲劳周数为12000周和29000周时的超声非线性系数近似相等，这样仅根据β的值将无法判断金属材料所处的疲劳阶段。