LY12铝合金疲劳损伤的非线性超声检测
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图 １ 实 验 系 统示 意 图
Ｆ ｇ １ Ｔ ｅ ｌｙ ｕ ｆｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｙ ｔｍ ｉ． ｈ ａ ｏ ｔ ｘ ｅｉ ｏ ｍｅ ｔｌｓ ｓｅ
一
般 来说 ， 固体介 质都 具有 非线 性 的特 征 ， 比如
微结 构缺 陷 引起 的非 线 性 特 征 等 ， 固体 介 质 的 非线
性特 征一 般通 过 高 阶弹性 常数来 描 述 。单 一 频率正 弦超 声波 在 固体介 质 中传播 时将 与 固体介 质 间产生
非线 性相互 作 用 ， 而 产生 高次 谐波 ， 了有效 反应 从 为
服强 度 为 ３ ０ ａ 抗 拉 强 度 为 ５ ２ ａ 纵 波 波 速 ９ ＭＰ ， ３ ＭＰ ，
为 ６ ８ ｍ／ 。 ４５ ｓ
２ 实 验 系 统 与测 量 方 法
图 １ 示为超 声非 线性 系数测 量 系统 。系统 主 所 要包 括 信 号 发 生 器 ３ ２ ０ 功 率 放 大 器 Ａ １ １ 、 ３ ２ Ａ、 Ｇ ０ ６
ＤＯ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ －０ ３ ２ １ ． ２ ０ ７ Ｉ １ ． ９ ９ ｊ ｉ ． ０ ５ ５ ５ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ
中 图分 类 号 ： Ｂ ５ Ｔ ５１
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ： ０ ５５ ５ （０ ２ ０ －０ ３ ６ １０ —０ ３ ２ １ ）２０ ９ － ０
基 金项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 （ ００ ０ ７ ； 南 工 业 大 学 高 国 １８ ２ ２ ） 河 层 人 才 基 金 （０ １ Ｓ４ ） ２ １Ｂ ０ ７ 作 者 简 介 ： 丙 生 （ ９ ８ ） 男 ， 士 ， 师 ， 要 研 究 方 向 颜 １７ 一 ， 博 讲 主
式中ｋ 为波数 ， 与声波频率和波速有关 ， 为声波传 播 距离 。当声 波频 率 和 超 声 波传 播 距 离 一 定 时 ， 由 式 （） １ 可知 ， 测量 出基 波 和二 次谐波 幅值 Ａ 和 Ａ 的
大 威 胁 ¨ 。 因此 ， 于 Ｌ １ Ｊ 对 Ｙ ２铝 合 金 超 声 波 无 损 检 测 技术 的研 究也 就具 有重 要 意义 。 超 声无 损 检 测 技 术利 用 波 的时程 、 速 和衰 减 声
等 物理 参数 已经 可 以对疲 劳试 件 中 的宏 观 裂纹进 行
１ 超 声 非 线 性 系数
根 。Ｂ组共 １ ， ３根 分别 在疲劳试 验 机上 作 循 环周期
为 ５ ０ １０ １０ ， ３ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ０ ， ７ ０ ０ ， １０， ７ ０ ２ ０ ， ９ ０， ５ ０， １０ ４ ０ ， ５ ０ ，０ ０，６ ０ ７ ０ ３ ０ ６ ０ ６ ０ ，２ ０和 ８ ０ １０周 次 的低 周 拉 ． 疲 压 劳， 加载 应 力 取 屈 服 强 度 的 ±６ ％ （±２ ４ ａ ， ０ ３ ＭＰ ）
Ｌ１ Ｙ ２硬铝 合 金 是航 空 宇航 工 业 中广 泛 应 用 的 合金 材料 之 一 ， 有 较 高 的 强 度 和 韧 性 ， 容 易 断 具 不 裂， 是硬 铝 中用 量最 大 的铝 合 金 材 料 。通 常 被 用 来 制作 飞机 、 箭 的蒙皮 、 火 壁板 和 隔框 、 翼肋 ， 代替 钢 是 材 的最 佳 材料 。但 是 ， 合 金 的突 出 弱 点是 其 疲 劳 铝
Ｒ＝
／ － ＝一１， 载频 率 为 １ Ｈ 。试件 卸 载 ｏ… 加 ０ｚ
后 沿切 割线 截取长 ４ ｍ 直 径 １ ｍ 的有效 应变部 ０ ｍ， ４ｍ 分， 对切 割下 的试 件 表 面特 别 是 安装 传 感 器 的试件 两端进行 仔 细 的抛 光打磨 。
器 将采 集传 来 的包 含 有 高 频 成分 的超 声 波信 号 ， 然
在Ｌ１ Ｙ ２铝合金 上 传播 的距 离 和 波 速 ， 实 验 选 用 本
激励 信号周 期数 为 ３ ２个 。 图３ ａ为接 收到 的时域 信号 。进 行 Ｆ Ｔ变换 后 。 Ｆ 在频 率为 ５ ｚ的基 频 位 置 上 可 以 得 到 基 波 幅 值 ＭＨ Ａ ， 图３ 如 ｂ中实 线 所 示 ， 波 对 应 图 中左 边 坐标 ； 基 在频率 为 １ ＭＨ ０ ｚ的倍 频 位 置 上 可 得 到 二 次 谐 波 幅
第３ ２卷 第 ２期
２１ ０ ２年 ４月
航
空
材
料
学
报
Ｖｏ． １３２，Ｎｏ ２ ． Ａｐ ｉ ２ ２ ｒｌ ０１
Ｊ ＯＵＲＮ Ｆ Ａ ＡＬ Ｏ ＥＲＯＮ ＡＵＴ Ｃ Ｉ ＡＬ ＭＡＴ ＲＩ Ｓ Ｅ ＡＬ
Ｌ １ Ｙ ２铝 合 金 疲 劳 损 伤 的 非 线 性 超 声 检 测
颜 丙 生 ， 张 士雄
（ 河南工业大学 机 电工程 学院 ， 郑州 ４ ００ ） ５ ０ ７ 摘要 ： 针对 Ｌ ２铝合金材料 的早 期疲劳损伤 问题 ， 究发展 了一套可靠 的超声 非线性 系数测量实 验系统 ， Ｙ１ 研 利用该 系统离线测量 了 Ｌ １ Ｙ ２铝合金疲劳试件 的超声非线性 系数 。实验结果表 明 ， 在未达到 ６ ％左右疲劳寿命时 ， ０ 超声非 线性系数 对 Ｌ １ Ｙ ２铝合金材料 的早期疲劳损伤 有很 高的灵敏度 。同时利用 浸蚀法 观察 了 Ｌ ２硬铝疲劳 试件的位 Ｙ１ 错密 度变化 ， 超声非线性 系数 和位错 密度随疲劳周次 的变化近似一致 ， 明超声 非线性效应 与晶体 中的位错有关 ， 表 超声非线性 系数可以表征晶体材料 内部位错 的变化 ， 进而 预测 金属 材料的疲劳寿命 。 关键词 ： 非线性超声 ；Ｙ１ Ｌ ２铝合 金 ； 疲劳 ； 微观观察
金属 作 为 一 种 晶体 ， 疲 劳 损伤 与 晶体 中位 错 其 的运 动存 在密 切 的关 系 ， 周期 性 疲劳 载荷 的作用 下 ， 金 属 材料 内部 的位 错密 度 、 错 弦长 、 错 组态 和滑 位 位
为新材料和结构 的超 声 无损 检 测新 技 术 ， Ｅ ｍ ｉ） ａｂｎ— （ — ａ ｙｎｉｇ ｌ
这 一 特 点 ，ａｔ ｌ Ｂｅｚａ等 人 ， 建 立 了固体 介 Ｃｎｒｌ ｒ ｅｌ ｅ， ａ ｍ
质 内的非线 性 超声 波动 方程 。对 方程求 解 后可 以得 到 材 料 的非线 性 系数 口为 ：
段， 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 使 波形发 生 畸
Ｃｕ ｉ ｅ ｔｌ ｎ Ｃｕ ｉ ｅ ｔｌ ｎ
Βιβλιοθήκη Baidu
图 ２ 试 件 尺寸 示 意 图
Ｆ ｇ ２ Ｄｉ ｎ ｉｎ ｆｓ ｅ ｉ ｎ ｉ． ｍｅ ｓｏ ｓ ｏ ｐ ｃｍｅ
４ 实 验 结果 与分 析
４ １ 实验信 号 ．
件 之 间的充分 和稳 定 的耦 合 ， 同时保 持 发 射 传感 器 和接 收传 感器 在 同一轴 线上 ， 以免 能量损 失 。
ｓ ｅ ｇ １ ３ ｃ ｒ。 ｈ ｎ＠ ６ ．ｏ ｎ
移带 等微 观结 构 将 发生 变 化 ， 而 使 超 声 非 线 性 系 从
航
空
材
料
学
报
第３ ２卷
数有 较显 著 的改 变 …Ｊ 因此 超 声 非 线性 系数 可 。 用作 描述 介质非 线 性 的量 化 指 标 ， 别是 对 材 料 的 特
３ Ｌ ２硬铝 材料 性 质和试 件设 计制 作 Ｙ１
Ｌ１ Ｙ ２硬 铝 合 金 密 度 为 ２ ９ ｋ／ 弹 性 模 量 ７ ０ ｇｍ ， Ｅ＝７ Ｇ ａ 泊 松 比 ＝０ ３ 。 根 据 Ｇ ／ ２ ８ ３ Ｐ， ．２ Ｂ Ｔ ２ —
早期 疲劳 寿命 预测将 具有 重要 的实 际意义 。
材料 疲劳非线 性超 声 检测 实 验 ， 结 合微 观 实验 ， 并 研
敏 感程 度增 大 。而 航 空 铝 合 金在 实 际使 用 过 程 中 ， 由于工 作环 境 复杂 ， 些 部 件 容 易 出 现 疲 劳 裂纹 和 一
究 了材料超声 非线性特性 与位错密度 之问 的关 系。
损伤 ， 这对 于 飞机等 关 键 构 件 的安全 服 役造 成 了极
有效 的检测 和评 估 ］ 。但 是 ， 上述 线 性 物 理 参 数 对
金 属材 料 早 期 疲 劳 并 不 敏 感 ＿ 。 近 期 相 关 实 验 研 ３ Ｊ
究 表 明金 属材 料 的早期 疲劳 损 伤与超 声 波 的非线 性 效 应 密切相 关 ［ 。在 金属 材料 的早 期 疲 劳损 伤 阶 ４ ］
的 幅值 。一 对 中 心频 率 分 别 为 ５ ｚ和 １ ＭＨ ＭＨ ０ ｚ的 Ｐ ｎ ｍ ｔｃ 窄 带 Ｐ Ｔ超 声 探 头 作 为 发射 和 接 收 传 ａａ ｅ ｉ ｒｓ Ｚ 感器 。由于进 行非线 性测 量 时 ， 激励 信号 幅值较 大 ， 普通 耦合 剂容 易挥 发 ， 用 比较稳 定 的锂 基 黄油 作 采 为耦 合 剂 。一 个特 殊 的夹具来 保证 检测 时探 头和试
变 ， 而产 生 高次谐 波 。 因此 ， 过对 这些 高次 谐 波 从 通
－象ｉ ８） （
值 ， 可确 定材 料 的超声 非线 性 系数 。 就
（ １ ）
的检 测 ， 以对 材料 和 结构 的早 期 疲 劳 损 伤 做 出 有 可
效 的无 损 检测 和评估 。
收稿 日期 ： ０ ｌ ８０ ； ２ １－ －５ 修订 日期 ： ０ １１ 一９ ０ ２ １—１ Ｏ
图 ２为 试 件 尺 寸 示 意 图 ， 圆棒 形 ， 件 分 为 为 试 Ａ， Ｂ两 组 ， Ａ组为 未进行 疲 劳加载 的原始 试件 ， 一 共
ＭＴ８０材料 疲 劳 试 验 机 、 能 低 通 滤 波 器 、 减 Ｓ１ 高 衰
器 、 感器 、 传 示波 器 、 算机 以及被 测试 件 和夹具 。 计 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 ， 动 固定 于被 测试 件一 端 的压 电传感 器 ， 驱 向试 件 中输 入单频 超声 波 。位 于试 件另 一端 的压 电传感
后 对采 集 到 的信号 进行 Ｆ Ｔ变换 ， 终 得到 基 波 和 Ｆ 最
二 次谐 波 的幅值 ， 而确 定非 线性 系数 的值 。 进
采 用 美 国 Ｒ ＴＣ公 司 的高 能 低 通 滤 波器 来 滤 ＥＩ
除功 率放大 器射频 门产生 的高频 干扰 。衰减 器把 从
滤波 器引 出的一 路信 号衰减 后作 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
对 加载 到 ５ ０ ３ ０周 的试 件进 行非 线性 超声 检测 ，
激励信 号为 频 率 ５ Ｈｚ的单 一 频 率 正 弦 波 ， 了减 Ｍ 为 少仪 器和 随机 因素产 生 的高 频谐 波干 扰 ， 试 件 在 取
超声 波传播 方 向所能 容纳 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
在本 实验 中 ， 了研究 方便 ， 用 ＝Ａ ／ 来 为 采 ２Ａ 表 征超声 非线 性 系数 的变 化 情 况 。显 然 ， 与材 料 它 的绝对非 线性 系数 成正 比 。
２０ ￣ ０ ２ 金属材料室温拉 伸试验 方法》 通 过三根 标 ， 准 的狗骨 试 件 拉 伸 试 验 得 到 的 Ｌ ２硬 铝 合 金 屈 Ｙ１
强 度对 应力 集 中比较 敏感 ， 随着 硬度 的提高 ， 且 这一
尽管非线 性超声 无 损检 测技 术 具有 广 阔 的应 用 前景， 但仍然 没有 成 功地 应用 于 工程 实 际 ， 目前 国内 外的研究 主要 集 中在非 线 性超 声宏 观 检测 方 面 。本 工 作根据 Ｌ １ Ｙ ２铝合金 的材料 特性 ， 发展 了一套 可靠 的超声 非线性 系数 测量实 验系统 ， 用该 系统进 行 了 利
Ｆ ｇ １ Ｔ ｅ ｌｙ ｕ ｆｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｙ ｔｍ ｉ． ｈ ａ ｏ ｔ ｘ ｅｉ ｏ ｍｅ ｔｌｓ ｓｅ
一
般 来说 ， 固体介 质都 具有 非线 性 的特 征 ， 比如
微结 构缺 陷 引起 的非 线 性 特 征 等 ， 固体 介 质 的 非线
性特 征一 般通 过 高 阶弹性 常数来 描 述 。单 一 频率正 弦超 声波 在 固体介 质 中传播 时将 与 固体介 质 间产生
非线 性相互 作 用 ， 而 产生 高次 谐波 ， 了有效 反应 从 为
服强 度 为 ３ ０ ａ 抗 拉 强 度 为 ５ ２ ａ 纵 波 波 速 ９ ＭＰ ， ３ ＭＰ ，
为 ６ ８ ｍ／ 。 ４５ ｓ
２ 实 验 系 统 与测 量 方 法
图 １ 示为超 声非 线性 系数测 量 系统 。系统 主 所 要包 括 信 号 发 生 器 ３ ２ ０ 功 率 放 大 器 Ａ １ １ 、 ３ ２ Ａ、 Ｇ ０ ６
ＤＯ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ －０ ３ ２ １ ． ２ ０ ７ Ｉ １ ． ９ ９ ｊ ｉ ． ０ ５ ５ ５ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ
中 图分 类 号 ： Ｂ ５ Ｔ ５１
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ： ０ ５５ ５ （０ ２ ０ －０ ３ ６ １０ —０ ３ ２ １ ）２０ ９ － ０
基 金项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 （ ００ ０ ７ ； 南 工 业 大 学 高 国 １８ ２ ２ ） 河 层 人 才 基 金 （０ １ Ｓ４ ） ２ １Ｂ ０ ７ 作 者 简 介 ： 丙 生 （ ９ ８ ） 男 ， 士 ， 师 ， 要 研 究 方 向 颜 １７ 一 ， 博 讲 主
式中ｋ 为波数 ， 与声波频率和波速有关 ， 为声波传 播 距离 。当声 波频 率 和 超 声 波传 播 距 离 一 定 时 ， 由 式 （） １ 可知 ， 测量 出基 波 和二 次谐波 幅值 Ａ 和 Ａ 的
大 威 胁 ¨ 。 因此 ， 于 Ｌ １ Ｊ 对 Ｙ ２铝 合 金 超 声 波 无 损 检 测 技术 的研 究也 就具 有重 要 意义 。 超 声无 损 检 测 技 术利 用 波 的时程 、 速 和衰 减 声
等 物理 参数 已经 可 以对疲 劳试 件 中 的宏 观 裂纹进 行
１ 超 声 非 线 性 系数
根 。Ｂ组共 １ ， ３根 分别 在疲劳试 验 机上 作 循 环周期
为 ５ ０ １０ １０ ， ３ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ０ ， ７ ０ ０ ， １０， ７ ０ ２ ０ ， ９ ０， ５ ０， １０ ４ ０ ， ５ ０ ，０ ０，６ ０ ７ ０ ３ ０ ６ ０ ６ ０ ，２ ０和 ８ ０ １０周 次 的低 周 拉 ． 疲 压 劳， 加载 应 力 取 屈 服 强 度 的 ±６ ％ （±２ ４ ａ ， ０ ３ ＭＰ ）
Ｌ１ Ｙ ２硬铝 合 金 是航 空 宇航 工 业 中广 泛 应 用 的 合金 材料 之 一 ， 有 较 高 的 强 度 和 韧 性 ， 容 易 断 具 不 裂， 是硬 铝 中用 量最 大 的铝 合 金 材 料 。通 常 被 用 来 制作 飞机 、 箭 的蒙皮 、 火 壁板 和 隔框 、 翼肋 ， 代替 钢 是 材 的最 佳 材料 。但 是 ， 合 金 的突 出 弱 点是 其 疲 劳 铝
Ｒ＝
／ － ＝一１， 载频 率 为 １ Ｈ 。试件 卸 载 ｏ… 加 ０ｚ
后 沿切 割线 截取长 ４ ｍ 直 径 １ ｍ 的有效 应变部 ０ ｍ， ４ｍ 分， 对切 割下 的试 件 表 面特 别 是 安装 传 感 器 的试件 两端进行 仔 细 的抛 光打磨 。
器 将采 集传 来 的包 含 有 高 频 成分 的超 声 波信 号 ， 然
在Ｌ１ Ｙ ２铝合金 上 传播 的距 离 和 波 速 ， 实 验 选 用 本
激励 信号周 期数 为 ３ ２个 。 图３ ａ为接 收到 的时域 信号 。进 行 Ｆ Ｔ变换 后 。 Ｆ 在频 率为 ５ ｚ的基 频 位 置 上 可 以 得 到 基 波 幅 值 ＭＨ Ａ ， 图３ 如 ｂ中实 线 所 示 ， 波 对 应 图 中左 边 坐标 ； 基 在频率 为 １ ＭＨ ０ ｚ的倍 频 位 置 上 可 得 到 二 次 谐 波 幅
第３ ２卷 第 ２期
２１ ０ ２年 ４月
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Ｌ １ Ｙ ２铝 合 金 疲 劳 损 伤 的 非 线 性 超 声 检 测
颜 丙 生 ， 张 士雄
（ 河南工业大学 机 电工程 学院 ， 郑州 ４ ００ ） ５ ０ ７ 摘要 ： 针对 Ｌ ２铝合金材料 的早 期疲劳损伤 问题 ， 究发展 了一套可靠 的超声 非线性 系数测量实 验系统 ， Ｙ１ 研 利用该 系统离线测量 了 Ｌ １ Ｙ ２铝合金疲劳试件 的超声非线性 系数 。实验结果表 明 ， 在未达到 ６ ％左右疲劳寿命时 ， ０ 超声非 线性系数 对 Ｌ １ Ｙ ２铝合金材料 的早期疲劳损伤 有很 高的灵敏度 。同时利用 浸蚀法 观察 了 Ｌ ２硬铝疲劳 试件的位 Ｙ１ 错密 度变化 ， 超声非线性 系数 和位错 密度随疲劳周次 的变化近似一致 ， 明超声 非线性效应 与晶体 中的位错有关 ， 表 超声非线性 系数可以表征晶体材料 内部位错 的变化 ， 进而 预测 金属 材料的疲劳寿命 。 关键词 ： 非线性超声 ；Ｙ１ Ｌ ２铝合 金 ； 疲劳 ； 微观观察
金属 作 为 一 种 晶体 ， 疲 劳 损伤 与 晶体 中位 错 其 的运 动存 在密 切 的关 系 ， 周期 性 疲劳 载荷 的作用 下 ， 金 属 材料 内部 的位 错密 度 、 错 弦长 、 错 组态 和滑 位 位
为新材料和结构 的超 声 无损 检 测新 技 术 ， Ｅ ｍ ｉ） ａｂｎ— （ — ａ ｙｎｉｇ ｌ
这 一 特 点 ，ａｔ ｌ Ｂｅｚａ等 人 ， 建 立 了固体 介 Ｃｎｒｌ ｒ ｅｌ ｅ， ａ ｍ
质 内的非线 性 超声 波动 方程 。对 方程求 解 后可 以得 到 材 料 的非线 性 系数 口为 ：
段， 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 使 波形发 生 畸
Ｃｕ ｉ ｅ ｔｌ ｎ Ｃｕ ｉ ｅ ｔｌ ｎ
Βιβλιοθήκη Baidu
图 ２ 试 件 尺寸 示 意 图
Ｆ ｇ ２ Ｄｉ ｎ ｉｎ ｆｓ ｅ ｉ ｎ ｉ． ｍｅ ｓｏ ｓ ｏ ｐ ｃｍｅ
４ 实 验 结果 与分 析
４ １ 实验信 号 ．
件 之 间的充分 和稳 定 的耦 合 ， 同时保 持 发 射 传感 器 和接 收传 感器 在 同一轴 线上 ， 以免 能量损 失 。
ｓ ｅ ｇ １ ３ ｃ ｒ。 ｈ ｎ＠ ６ ．ｏ ｎ
移带 等微 观结 构 将 发生 变 化 ， 而 使 超 声 非 线 性 系 从
航
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第３ ２卷
数有 较显 著 的改 变 …Ｊ 因此 超 声 非 线性 系数 可 。 用作 描述 介质非 线 性 的量 化 指 标 ， 别是 对 材 料 的 特
３ Ｌ ２硬铝 材料 性 质和试 件设 计制 作 Ｙ１
Ｌ１ Ｙ ２硬 铝 合 金 密 度 为 ２ ９ ｋ／ 弹 性 模 量 ７ ０ ｇｍ ， Ｅ＝７ Ｇ ａ 泊 松 比 ＝０ ３ 。 根 据 Ｇ ／ ２ ８ ３ Ｐ， ．２ Ｂ Ｔ ２ —
早期 疲劳 寿命 预测将 具有 重要 的实 际意义 。
材料 疲劳非线 性超 声 检测 实 验 ， 结 合微 观 实验 ， 并 研
敏 感程 度增 大 。而 航 空 铝 合 金在 实 际使 用 过 程 中 ， 由于工 作环 境 复杂 ， 些 部 件 容 易 出 现 疲 劳 裂纹 和 一
究 了材料超声 非线性特性 与位错密度 之问 的关 系。
损伤 ， 这对 于 飞机等 关 键 构 件 的安全 服 役造 成 了极
有效 的检测 和评 估 ］ 。但 是 ， 上述 线 性 物 理 参 数 对
金 属材 料 早 期 疲 劳 并 不 敏 感 ＿ 。 近 期 相 关 实 验 研 ３ Ｊ
究 表 明金 属材 料 的早期 疲劳 损 伤与超 声 波 的非线 性 效 应 密切相 关 ［ 。在 金属 材料 的早 期 疲 劳损 伤 阶 ４ ］
的 幅值 。一 对 中 心频 率 分 别 为 ５ ｚ和 １ ＭＨ ＭＨ ０ ｚ的 Ｐ ｎ ｍ ｔｃ 窄 带 Ｐ Ｔ超 声 探 头 作 为 发射 和 接 收 传 ａａ ｅ ｉ ｒｓ Ｚ 感器 。由于进 行非线 性测 量 时 ， 激励 信号 幅值较 大 ， 普通 耦合 剂容 易挥 发 ， 用 比较稳 定 的锂 基 黄油 作 采 为耦 合 剂 。一 个特 殊 的夹具来 保证 检测 时探 头和试
变 ， 而产 生 高次谐 波 。 因此 ， 过对 这些 高次 谐 波 从 通
－象ｉ ８） （
值 ， 可确 定材 料 的超声 非线 性 系数 。 就
（ １ ）
的检 测 ， 以对 材料 和 结构 的早 期 疲 劳 损 伤 做 出 有 可
效 的无 损 检测 和评估 。
收稿 日期 ： ０ ｌ ８０ ； ２ １－ －５ 修订 日期 ： ０ １１ 一９ ０ ２ １—１ Ｏ
图 ２为 试 件 尺 寸 示 意 图 ， 圆棒 形 ， 件 分 为 为 试 Ａ， Ｂ两 组 ， Ａ组为 未进行 疲 劳加载 的原始 试件 ， 一 共
ＭＴ８０材料 疲 劳 试 验 机 、 能 低 通 滤 波 器 、 减 Ｓ１ 高 衰
器 、 感器 、 传 示波 器 、 算机 以及被 测试 件 和夹具 。 计 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 ， 动 固定 于被 测试 件一 端 的压 电传感 器 ， 驱 向试 件 中输 入单频 超声 波 。位 于试 件另 一端 的压 电传感
后 对采 集 到 的信号 进行 Ｆ Ｔ变换 ， 终 得到 基 波 和 Ｆ 最
二 次谐 波 的幅值 ， 而确 定非 线性 系数 的值 。 进
采 用 美 国 Ｒ ＴＣ公 司 的高 能 低 通 滤 波器 来 滤 ＥＩ
除功 率放大 器射频 门产生 的高频 干扰 。衰减 器把 从
滤波 器引 出的一 路信 号衰减 后作 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
对 加载 到 ５ ０ ３ ０周 的试 件进 行非 线性 超声 检测 ，
激励信 号为 频 率 ５ Ｈｚ的单 一 频 率 正 弦 波 ， 了减 Ｍ 为 少仪 器和 随机 因素产 生 的高 频谐 波干 扰 ， 试 件 在 取
超声 波传播 方 向所能 容纳 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
在本 实验 中 ， 了研究 方便 ， 用 ＝Ａ ／ 来 为 采 ２Ａ 表 征超声 非线 性 系数 的变 化 情 况 。显 然 ， 与材 料 它 的绝对非 线性 系数 成正 比 。
２０ ￣ ０ ２ 金属材料室温拉 伸试验 方法》 通 过三根 标 ， 准 的狗骨 试 件 拉 伸 试 验 得 到 的 Ｌ ２硬 铝 合 金 屈 Ｙ１
强 度对 应力 集 中比较 敏感 ， 随着 硬度 的提高 ， 且 这一
尽管非线 性超声 无 损检 测技 术 具有 广 阔 的应 用 前景， 但仍然 没有 成 功地 应用 于 工程 实 际 ， 目前 国内 外的研究 主要 集 中在非 线 性超 声宏 观 检测 方 面 。本 工 作根据 Ｌ １ Ｙ ２铝合金 的材料 特性 ， 发展 了一套 可靠 的超声 非线性 系数 测量实 验系统 ， 用该 系统进 行 了 利