镁合金力学性能退化非线性超声离线检测实验研究_颜丙生

［1 ］ 镁合金作为 21 世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料 ， 以其显著的减重节能效果和良好的生产 3C （ computers、 communications、 consumer electronics ） 、 工艺性能受到汽车、 航空航天、 轮船制造等行业的广 ［2 ］ ［3 ］ 泛关注 ． 但是， 镁合金构件在复杂工作条件下容易产生疲劳裂纹并加剧扩展 ， 抗疲劳、 蠕变性能较差 ． ［4 ］ 因此， 研究镁合金超声无损检测技术意义重大 ．
第 37 卷 第 10 期 2011 年 10 月
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Vol． 37 No． 10 Oct． 2011
JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
镁合金力学性能退化非线性超声离线检测实验研究
1， 2 颜丙生 ，吴 1 1 1 斌 ，李佳锐 ，何存富
（ 2）
（ 3）
（ 4）
式中 k = ω / c 为波数． 由式（ 4 ） 可知， 基波幅值和二次谐波幅值为 1 A1 = A0 ， A2 = （ A2 k 2 βx ） 8 0 以得到材料的非线性系数为 A2 1 β =8 2 2 A1 k x
（ 5）
由式（ 5 ） 可知， 超声二次谐波的振幅与频率的平方 、 传播的距离和材料的超声非线性系数成正比． 进而可
－6 A2 = 3. 15 × 10 － 3 A2 1 + 5. 48 × 10
A2 和 A1 高度线性相关． 表明对同一试样， 线性相关系数 r = 0. 999 6 ， 在一定范围的不同输入电压下， 利用本实验系统所测得的超声非线性系数为同一个值 ． 在本实验中， 信号源电压取值范围为 240 ～ 350 V， 间隔为 10 V． 3. 2 准静态拉伸实验结果 利用上述实验系统和实验方法对 A 组和 B 组试件进行了超声非线性系数的实验测量． β0 为 A 组原 β 为拉伸到不同应力程度下的 B 组试样的超声非线性系数， 用 β / β0 对超声非 始试样的超声非线性系数， 线性系数进行归一化． 图 5 为归一化后的相对非线性系数与拉伸应力之间的关系 ． 可以明显分为 2 个阶段， 在弹性阶段， 相 对非线性系数基本没有变化； 在塑性阶段， 随着拉伸应力的增大， 相对非线性系数单调显著增加．
图3 Fig． 3
实验信号
Experimental signals
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2011 年
利用示波器对采集到的信号进行 512 次平均， 以有效抑制测试过程中的一些随机因素的影响 ， 提高信号的 ． 信噪比 对接收到的信号进行 FFT 变换， 在频率为 5 MHz 的基频位置上可以得到基波幅值 A1 ， 如图 3 （ c ） 所 图 3 （ d） 为局部放大后的频域信号， 有明显的 示． 在频率为 10 MHz 的倍频位置上可得到二次谐波幅值 A2 ， 二次谐波． 将二次谐波和基波幅值代入式（ 6 ） 可求得超声非线性系数 β．
（ 1. 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院 ，北京 100124 ； 2. 河南工业大学 机电工程学院 ，郑州 450007 ） 摘 要： 针对金属材料的早期力学性能退化问题 ， 研究了金属材料超声非线性系数测量方法 ， 发展了一套超声
非线性系数测量实验系统 ． 在相同条件下测得同一试样在不同输入电压下的二次谐波和基波幅值平方近似为 表明实验系统是可靠的 ． 同时， 利用该系统对在不同准静态拉伸和疲劳退化程度下的镁合金试件进 线性关系， 行了非线性超声检测实验 ， 超声非线性系数在金属材料进入塑性变形阶段和疲劳寿命的 30% 以后， 对力学性能 退化具有很高的灵敏度 ． 因此， 超声非线性系数可以很好地表征镁合金的早期力学性能退化 ， 对于材料和结构 的早期力学性能退化的无损检测和疲劳寿命预测均具有潜在的应用价值 ． 关键词： 非线性超声； 无损检测； AZ31 镁合金； 力学性能退化； 二次谐波 中图分类号： TB 551 文献标志码： A 文章编号： 0254 － 0037 （ 2011 ） 10 － 1459 － 06
( )
（ 6）
根据式（ 6 ） ， 对于给定的频率和样品长度， 通过测量基波和二次谐波幅值 A1 和 A2 ， 就可以确定材料的超声 这是进行材料力学性能退化 非线性系数． 借助非线性系数了解材料的微观结构和力学性能的退化情况 ， 的非线性超声无损检测和评价实验研究的理论基础 ．
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2. 1
实验系统和测量方法
第 10 期
颜丙生，等： 镁合金力学性能退化非线性超声离线检测实验研究
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图1 Fig． 1
实验系统示意
图2 Fig． 2
实验夹具 Test fixture
The layout of experimental system
2. 2
测量方法
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放大、 滤波 后， 驱动固定于被测试件一端的压电传感器 ， 向试件中输入单频超声波． 位于试件另一端的压电传感器将 ， 采集传来的包含有高频成分的超声信号 然后对采集到的信号进行 FFT 变换， 最终得到基波和二次谐波 的幅值， 进而确定超声非线性系数的值． 图 3 （ a） 所示为激励信号， 为了减少仪器和随机因素产生的谐波干扰， 取试件在波传播方向所能容纳 确定本 的不与接收信号重叠的最大周期数作为正弦脉冲串信号周期数 ． 根据超声波传播的距离和波速， 实验周期数为 51 ． 图 3 （ b） 为接收信号， 已经发生了明显的畸变， 该信号波形包含中间的稳态过程和两端 的暂态过程， 为了减少暂态信号的影响， 通过反复实验， 确定当激励频率为 5 MHz 时暂态信号幅值最小．
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 ［6 ］ ［7 ］ 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 ． 近年来， 非线性声学方法引 估 ． 但是， 起了人们的关注， 相关实验和理论模型研究表明， 材料的早期力学性能退化与超声波的非线性效应密切相 ［8 10 ］ ． 在早期力学性能退化阶段， 关 由于位错和滑移带等微观缺陷的存在 ， 当单一频率的超声波在金属材 料内部传播时会发生畸变， 从而导致高次谐波的产生． 通过检测这些高次谐波， 可以得到结构材料承受不 同疲劳循环周数时的超声非线性系数 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． 为了得到超声非线性系数 β， 必须进行声波振幅的绝对测量， 但二次谐波幅值非常小， 很容易被实验 仪器等所带来的谐波淹没， 因此实验系统和方法的研究十分关键 ． 作者发展了一套可靠的测试实验系统 ， 利用此实验系统在一定范围内均匀改变输入信号幅值的情况下测量了同一试件的非线性系数 ， 得到了较 好的可重复性． 同时， 进行了镁合金拉伸和疲劳早期非线性超声无损检测实验研究 ．
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图4 Fig． 4
二次谐波幅值与基波幅值平方的关系
图5 Fig． 5
相对非线性系数与拉伸应力的关系 Normalized nonlinearity parameter versus applied stress level
源自文库
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超声非线性系数
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 ［11 ］ Breazeale 等 建立了固体介质内的非线性超声波动方程 波， 为了有效反应这一特点，
收稿日期： 2009-12-03． 基金项目： 北京市教委科技计划重点资助项目 （ KZ200810005001 ） ； 国家自然科学基金资助项目 （ 10772008 ） ． 作者简介： 颜丙生（ 1978 —） ，男，河南许昌人，讲师．
ρ0
K2 = ρ0 c2 ； K3 为三阶弹性常数（ thirdorder elastic constants，TOE ） ． 若定义非线性系数为 3 K2 + K3 β= － K2 并设式（ 1 ） 的初始条件为 u（ 0 ， t） = A0 sinωt 用逐级近似微扰法可求得式（ 1 ） 的近似解为 u（ x， t） = A0 sin（ ωt － kx） + 1 2 2 （ A k βx） cos2 （ ωt － kx） 8 0
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3. 1
实验结果与分析
二次谐波幅值与基波幅值平方的关系
根据式（ 6 ） 可知， 在激励信号频率和超声波传播距离不变的情况下 ， 二次谐波幅值与基波幅值的平方 ， ． 成正比 据此可以检测实验系统的可靠性 首先利用上述实验方法和装置对同一试件测量其在不同输入 电压时的基波和二次谐波幅值， 对实验数据进行线性拟合， 得到图 4 所示的二次谐波幅值和基频波幅值平 方的关系曲线， 最佳拟合曲线方程为
实验系统和试件
图 1 为测 量 材 料 超 声 非 线 性 系 数 的 实 验 系 统． 系 统 主 要 包 括 信 号 发 生 器 33220A、 功率放大器 AG1016 、 、 、 、 、 ． 高能低通滤波器 衰减器 传感器 示波器 计算机和夹具 采用美国 RETIC 公司的高能低通滤波器来滤除功率放大器射频门产生的高频干扰 ． 衰减器将衰减从 滤波器引出的 1 路信号， 而后将其作为监测信号输入示波器 ， 通过监测信号可以控制输入发射传感器信号 的幅值． 将 1 对中心频率分别为 5 MHz 和 10 MHz 的 Panametrics 窄带 PZT 超声探头作为发射和接收传感 器． 由于进行非线性测量时， 激励信号幅度较大， 普通耦合剂容易挥发， 因此采用比较稳定的锂基黄油作 为耦合剂． 如图 2 所示， 用一个特殊的夹具保证实验的可重复性 ． 套筒可以使发射传感器、 试件和接收传感器在 同一轴线上， 每次实验时三者位置固定， 以减少实验随机性， 同时减少能量损失． 为了避免套筒和试件紧 密接触而影响声波的传播， 将套筒内径设计成比试件直径略大且套筒不受力 ； 夹具中安装有微型压力计， 以控制传感器与试件间的接触压力 ， 使实验条件尽可能一致． 试件材料为 AZ31 镁合金棒材， 屈服极限为 199 MPa， 强度极限为 259 MPa， 弹性模量为 46 GPa， 泊松比 B、 C 三组， A 组为未拉伸和疲劳的原始试件， 分为 A、 共 1 根； B 组共 6 根， 分 为 0. 25 ． 机加工成狗骨试件， 137 、 200 、 212 、 227 和 241 MPa 的准静态拉伸应力以获得退 别在 MTS810 全自动材料疲劳实验机上施加 76 、 13 000 、 19 500 、 化到不同应力程度下的试件； C 组共 10 根， 分别在疲劳实验机上做循环周期为 6 500 、 26 000 、 32 500 、 39 000 、 45 500 、 52 000 、 58 500 和 65 000 周的低周拉压疲劳， 加载应力取屈服极限的 ± 60 % （ ± 119 MPa） ， R = σ min / σ max = － 1 ， 加载频率为 10 Hz， 试件平均疲劳寿命为 72 000 周． 截取试件中间的有 直径为 13 mm， 长为 58 mm， 为了减少截取对实验结果的影响， 对两端面进行仔细的打磨 效应变部分， 抛光．
在外载荷的作用下， 金属零部件的疲劳寿命一般可分为 3 个阶段： 早期的力学性能退化 （ 大量产生位 错群并形成驻留滑移带和微裂纹 ） 、 损伤的起始与积累 （ 微裂纹的成核长大并产生裂纹 ） 以及最后的断裂
［5 ］ 失效． 研究表明， 对于设计良好的结构元件来说， 第一阶段占金属零部件整个疲劳寿命的 80 % ～ 90 % ． 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十分重要 ． 现有的超声无损检测技术利用
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2 2 2 u u u u = K + （ 3 K + K ） （ 1） 2 2 3 2 2 x x2 t x order elastic constants，SOE ） ， 式中， ρ0 为介质密度； K2 为二阶弹性常数（ second且 K2 与纵波波速的关系为