[发明专利]一种评价材料早期力学损伤的超声方法

说明书

一种评价材料早期力学损伤的超声方法，属于力学损伤评价与无损检测技术领域。该方法包括以下步骤：分别测量被检材料和楔块材料的纵波声速，计算临界折射纵波楔块角度并确定几何尺寸；采用一发一收方式在被检材料未损伤试样表面激励、接收临界折射纵波，优选超声探头频率和楔块间距；采集被检材料未损伤试样、损伤试样表面临界折射纵波，并对临界折射纵波幅值进行归一化处理；建立归一化幅值与力学损伤参数之间的对应关系。该方法对同一试样多次测量结果波动小，较超声脉冲反射法具有更好的稳定性和重复性，评价材料早期力学损伤结果更为可靠。

技术领域

本发明涉及一种评价材料早期力学损伤的超声方法，属于力学损伤评价与无损检测技术领域。

背景技术

工程构件在制造、服役过程中，由于热、力等多种能场交互作用，不可避免发生一定的力学损伤，降低承载性能。构件的表面/亚表面几何位置特殊，缺陷和损伤常在这里形核，直接或间接促进宏观裂纹的形成与扩展，破坏构件的结构完整性。因此，在力学损伤早期对其进行有效评价是提高构件制造和服役质量、预防灾难的重要手段。

近年来，基于超声方法的材料缺陷和损伤无损检测与评价备受关注。对于宏观缺陷检测而言，主要是利用缺陷对超声波的散射作用而进行的，如脉冲反射法检测宏观裂纹。对于早期损伤，评价方法大不相同，原因在于微观缺陷(位错等)并没有造成明显的散射信号，而是体现在微观缺陷群对声传播的吸收累积，因此，主要依赖声学特性变化来反映早期损伤的演变情况，包括材料弹性相关的声速和声传播能量相关的声衰减^[1,2]。位错是工程结构材料塑性变形的载体，声学特性变化主要体现位错的阻尼，因此声衰减对早期损伤更为敏感，应用也更为广泛^[3,4]。但声衰减测试影响因素较多^[5,6]，以脉冲反射法为例，试样所处位置与探头近场、远场的相对关系，耦合过程中压持探头的力度等多种操作因素都会对测试结果造成影响；同时，表征声衰减的声衰减系数测量必须以构件厚度为先验信息，对于内/外表面粗糙、封闭式构件是很难获得的。因此，如何精准可靠测量声衰减是早期力学损伤声学评价的关键问题。

临界折射纵波是以第一临界角入射、在试样表面/亚表面传播的纵波。研究表明^[7-9]：临界折射纵波在试样内渗透深度约几个波长，对表面粗糙度等特征不敏感，适合于工程构件现场检测。此外，临界折射纵波传播速度对残余应力敏感，其有效性在铝合金、钢等多种材料中得到验证，但表征结果十分依赖于传播声时的测量精度，对声时计算方法和校准要求较高。对临界折射纵波声衰减而言，由于避免了声时测量的苛刻要求，只需临界折射纵波幅值信息即可实现，操作便利性和可靠性大大增强。目前，基于临界折射纵波声衰减的金属材料构件早期力学损伤评价尚未见报道。

因此，本发明提出一种评价材料早期力学损伤的超声方法，基于临界折射纵波能量衰减评价金属材料早期力学损伤程度，并与常规脉冲回波法对比分析，提高声衰减测量结果的稳定性，同时避免临界折射纵波声速表征中声时测量的苛刻要求，提高操作便利性，适合于工程构件现场检测，对于研究金属材料早期损伤机理、发展构件早期损伤评价方法都具有重要意义。

参考文献：

[1]Granato A.,Lucke K.Theory of mechanical damping due todislocations[J].Journal of Applied Physics,1956,27(6):583-593.

[2]Granato A.,Hikata A.,Lücke K.Recovery of damping and moduluschanges following plastic deformation[J].Acta Metallurgica,1958,6(7):470-480.