金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測裝置的製作方法

2023-09-18 03:35:20 3

專利名稱：金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測裝置，屬於無損 檢測領域。
背景技術：
機械零部件由於疲勞而斷裂失效是一種非常普遍的現象，據估計，大約70%以上 的機械零部件失效是由疲勞損傷所引起的。在外載荷的作用下，金屬零部件的疲勞壽命一 般可分為三個階段早期的力學性能退化(位錯群的大量產生以及駐留滑移帶和微裂紋的 形成)、損傷的起始與積累(微裂紋的成核長大和宏觀裂紋的產生)以及最後的斷裂失效。 對於設計良好的結構元件來說，第一階段一般佔金屬零部件整個疲勞壽命的60% 80%。 因此，發展金屬材料早期力學性能退化的有效檢測和評價手段就顯的十分重要。現有的超 聲無損檢測技術利用波的時程、聲速和衰減等線性物理參數已經可以對構件壽命的第二和 第三階段進行有效的檢測和評估。但是，上述線性物理參數對材料和結構早期力學性能退 化很不敏感。非線性超聲無損檢測方法利用聲波在金屬材料中傳播時的非線性效應(即波形 畸變、諧波產生等)可以對材料的早期疲勞損傷進行檢測。在疲勞早期，非線性係數β隨 疲勞周數的增加而增大。但在疲勞後期由於疲勞裂紋的大量出現，β反而減小，且分散性 增大，如果單獨利用非線性超聲方法對疲勞早期損傷進行檢測，容易出現誤判。聲發射技術 作為一種「被動」探傷技術，可以通過對疲勞聲發射信號的分析處理對疲勞裂紋進行連續監 測，但聲發射技術不能檢測疲勞裂紋出現前的金屬材料早期疲勞損傷情況。為解決這一問 題，採用非線性超聲和聲發射技術共同檢測金屬材料零部件的早期疲勞損傷。

實用新型內容本實用新型的目的在於提出一種金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測裝 置，特別是針對疲勞早期損傷的無損檢測方法。可以在不破壞被測零部件的情況下，利用非 線性超聲和聲發射技術的配合有效檢測金屬零部件的疲勞損傷。金屬材料疲勞早期損傷 非線性超聲在線檢測裝置，其特徵在於該裝置包括非線性超聲檢測模塊和聲發射監測模 塊；非線性超聲檢測模塊依次包括有任意函數發生器、功率放大器、高能低通濾波器、被測 試件、分別安裝在被測試件兩側的激勵傳感器和接收傳感器、示波器和計算機；聲發射監測 模塊包括有安裝在被測試件一側的聲發射傳感器、聲發射前置放大器、聲發射儀；聲發射儀 也連接上述計算機。本實用新型其基本原理在於由於固體介質的非線性，單一頻率正弦超聲波將與固體介質間產生非線性相互作 用，從而產生高次諧波，非線性係數β可以表徵材料的非線性效應，定義為
⑴[0008]其中k = ω/c為波數，ω為角頻率，c為波速，A1和A2分別為基波和二次諧波幅 值，X為波傳播的距離。對於給定的頻率和樣品長度，通過對基波和二次諧波幅值的測量， 就可以確定材料的超聲非線性係數。金屬材料的非線性主要來自於位錯、晶帶滑移等微觀 缺陷。不同疲勞損傷程度具有不同的微觀缺陷組態，非線性係數的大小也不同，從而藉助非 線性係數來了解材料的早期疲勞損傷情況。如圖5所示，在疲勞早期，非線性係數β隨疲勞周數的增加而增大。但在疲勞後 期由於疲勞裂紋的大量出現，β反而減小，且分散性增大，如果單獨利用非線性超聲方法對 金屬材料的早期疲勞損傷進行檢測，容易出現誤判。例如，圖5中所示疲勞周數為12000周 和29000周時的超聲非線性係數近似相等，這樣僅根據β的值將無法判斷金屬材料所處的 疲勞階段。聲發射(Acoustic Emission，簡稱AE)又稱應力波發射，是指材料或物體內部因 內部應力超過屈服極限而進入不可逆的塑性變形階段或有裂紋形成和擴展、斷裂時快速釋 放出應變能而產生瞬態應力波的現象。聲發射技術是用儀器檢測、記錄、分析聲發射信號並 利用聲發射信號推斷聲發射源的技術，它是檢測材料內微觀過程(即裂紋開裂、擴展)的非 常靈敏的技術。因為聲發射信號來自材料本身的缺陷，是一種「被動」探傷技術，可以長期 連續地在役監測工程結構主要部位缺陷的發展變化，對服役的工程結構幾乎不會造成什麼 影響和妨礙。但聲發射技術無法對產生疲勞裂紋前的早期階段進行檢測。因此可以利用聲發射技術監測疲勞裂紋的萌生和發展，非線性超聲技術檢測疲勞 的早期階段，即能解決非線性超聲檢測疲勞損傷的誤判問題，又可以實現對金屬材料零部 件的疲勞全過程檢測。本實用新型主要具有以下優點(1)在非線性超聲無損檢測的基礎上引入聲發射 技術使非線性超聲在檢測金屬材料的早期疲勞損傷時不會出現誤判；(2)採用非線性超聲 和聲發射技術可以實現對金屬材料零部件的疲勞全過程檢測；(3)實現了對被測試件的連 續在線檢測。

圖1檢測裝置原理圖；圖中1、函數發生器，2、功率放大器，3、高能低通濾波器，4、激勵傳感器，5、接收傳 感器，6、示波器，7、聲發射傳感器，8、聲發射前置放大器，9、聲發射儀，10、計算機。圖2檢測方法流程圖；圖3被測試件尺寸示意圖；圖4非線性超聲檢測信號圖；(a)激勵信號，(b)接收信號，(C)基波幅值，(d) 二次諧波幅值圖5非線性係數和疲勞周數關係曲線；
具體實施方式
本實用新型採用如下的技術方案。本裝置包括非線性超聲檢測模塊和聲發射監測 模塊。如圖1所示，非線性超聲檢測模塊主要有任意函數發生器1、功率放大器2、高能低通 濾波器3、激勵傳感器4、接收傳感器5、示波器6和計算機10 ；聲發射監測模塊主要有聲發射傳感器7、聲發射前置放大器8、聲發射儀9和計算機10。各模塊的功能如下非線性超聲檢測模塊中任意函數發生器1可根據輸入的被測試件參數和選擇的 激勵頻率、周期數和幅值自動生成Tone burst激勵信號。功率放大器2將任意函數發生器 1所產生的波形進行信號放大。高能低通濾波器3的功能則是在檢測過程中濾除由功率放 大器2射頻門產生的高頻諧波信號。被放大的300V左右的高電壓激勵信號通過同軸電纜 傳至縱波激勵傳感器4。通過激勵傳感器4激勵信號被耦合入被測試件。安裝在另一側的 接收傳感器5檢測通過被測試件透射過來的弱電壓超聲信號，並送給示波器6進行顯示和 保存。聲發射監測模塊中聲發射傳感器7可以採集由被測試件產生的聲發射信號。聲發 射信號經過聲發射前置放大器8放大後送入聲發射儀9進行信號處理，當聲發射信號幅值 超過聲發射儀預設的門檻值，聲發射儀判定振鈴。為了激勵最強的信號，激勵傳感器4的中心頻率和激勵信號頻率一致。為了接收 到最強的二次諧波信號，接收傳感器5的中心頻率為激勵傳感器4中心頻率的2倍。激勵 傳感器4、接收傳感器5和聲發射傳感器7通過耦合劑如凡士林等與被測試件接觸。示波器6與計算機10是負責信號的接收、顯示和處理。通過計算機10對聲發射 信號的處理和分析，可以判定疲勞裂紋是否出現。通過計算機10對非線性超聲信號進行處 理，計算出超聲非線性係數β，並依據β來了解被測試件的早期疲勞損傷情況。本實用新型的非線性超聲和聲發射檢測方法是按以下步驟進行的1)根據被測試件的厚度確定激勵信號周期數、頻率和幅值，為了減少儀器和隨機 因素產生的諧波幹擾，取試件在厚度方向所能容納的不與接收信號重疊的最大周期數作為 正弦脈衝串信號周期數。將所選激勵信號參數輸入任意函數發生器1生成所需單一音頻信 號。根據空載時的噪聲信號幅值確定聲發射儀門檻值。2)根據圖1所示搭建檢測系統。3)給被測試件進行疲勞加載，在被測試件疲勞過程中，由聲發射傳感器7連續實 時檢測聲發射信號，並將聲發射信號經由聲發射前置放大器8放大後輸入聲發射儀9進行 處理分析，當聲發射信號幅值超過聲發射儀9預設的門檻值，聲發射儀判定振鈴。最終將數 據存入計算機。4)如果聲發射儀9沒有顯示振鈴或連續振鈴次數沒有超過實驗確定的經驗值，則 等時間間隔檢測非線性超聲信號。具體步驟如下由函數發生器1產生的單一音頻超聲信號被送至功率放大器2進行放大後，通過 高能低通濾波器3濾除由功率放大器產生的高頻諧波信號，然後該信號被傳輸至激勵傳感 器4，在被測試件中激勵縱向超聲波。安裝在另一側的接收傳感器5檢測通過被測試件透射 過來的弱電壓超聲信號，並送給示波器6進行顯示和保存。利用計算機10對示波器6保存 的信號進行傅立葉變換，獲取基波幅值A1和二次諧波幅值A2，並通過式(1)計算超聲非線 性係數β，依據β來了解被測試件的早期疲勞損傷情況。每隔一定時間重複上述步驟來檢測非線性超聲信號。5)如果聲發射儀9顯示連續振鈴次數超過了實驗確定的經驗值，表明有疲勞裂紋萌生和發展，結束檢測。下面結合圖1 圖5詳細說明本實施例。如圖3所示，本實驗例中被測試件為厚7. 5mm,長150mm的AZ31鎂合金狗骨板件。 密度為1770kg/m3，縱波波速為5763m/s。屈服極限199MPa，強度極限259MPa。1)根據激勵傳感器中心頻率確定激勵信號頻率為5MHz，為了減少儀器和隨機因 素產生的諧波幹擾，取試件在厚度方向所能容納的不與接收信號重疊的最大周期數作為正 弦脈衝串信號周期數，如圖4(a)所示。一對中心頻率分別為5MHz和IOMHz的Panametrics 窄帶PZT超聲探頭作為激勵和接收傳感器。2)選用R15聲發射傳感器和L0CAN320聲發射儀。根據空載時的噪聲信號幅值確 定聲發射儀門檻值為40dB。聲發射信號幅值超過40dB，聲發射儀就判定振鈴，根據實驗經 驗如果發生5次連續振鈴則認為試件已萌生疲勞裂紋。3)根據圖1檢測裝置原理圖搭建檢測系統。利用MTS810材料疲勞實驗機對被測 試件進行疲勞加載，加載應力取屈服極限的士65% (士 129MPa)，疲勞頻率10Hz。4)由聲發射傳感器7連續實時檢測聲發射信號，並將聲發射信號經由聲發射前置 放大器8放大後輸入聲發射儀9進行處理分析，當聲發射信號幅值超過40dB時聲發射儀9 判定振鈴。最終將數據存入計算機。5)如果聲發射儀9沒有顯示振鈴或連續振鈴次數沒有超過5次，則被測試件每疲 勞300周檢測一次非線性超聲信號。具體步驟如下由函數發生器1產生的單一音頻超聲信號如圖4(a)所示，被送至功率放大器2進 行放大後，通過高能低通濾波器3濾除由功率放大器產生的高頻諧波信號，然後該信號被 傳輸至激勵傳感器4，在被測試件中激勵縱向超聲波。安裝在另一側的接收傳感器5檢測通 過被測試件透射過來的弱電壓超聲信號如圖4(b)所示，並送給示波器6進行顯示和保存。 利用計算機10對示波器6保存的信號進行傅立葉變換，獲取頻率在5MHz位置的基波幅值 A1如圖4(c)所示和頻率在IOMHz位置的二次諧波幅值A2如圖4(d)所示，並通過式(1)計 算超聲非線性係數β，繪出如圖5所示的非線性係數和疲勞周數關係曲線。根據此曲線了 解被測試件的早期疲勞損傷情況。6)如果聲發射儀9連續振鈴次數超過5次，結束檢測。
權利要求金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測裝置，其特徵在於該裝置包括非線性超聲檢測模塊和聲發射監測模塊；非線性超聲檢測模塊依次包括有任意函數發生器、功率放大器、高能低通濾波器、被測試件、分別安裝在被測試件兩側的激勵傳感器和接收傳感器、示波器和計算機；聲發射監測模塊包括有安裝在被測試件一側的聲發射傳感器、聲發射前置放大器、聲發射儀；聲發射儀也連接上述計算機。
專利摘要本實用新型涉及一種金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測裝置，屬於無損檢測領域。單用非線性超聲方法對疲勞早期損傷進行檢測，容易出現誤判。聲發射技術不能檢測金屬材料早期疲勞損傷情況。該裝置包括非線性超聲檢測模塊和聲發射監測模塊；非線性超聲檢測模塊依次包括有任意函數發生器、功率放大器、高能低通濾波器、被測試件、分別安裝在被測試件兩側的激勵傳感器和接收傳感器、示波器和計算機；聲發射監測模塊包括有安裝在被測試件一側的聲發射傳感器、聲發射前置放大器、聲發射儀；聲發射儀也連接上述計算機。本實用新型在非線性超聲無損檢測的基礎上引入聲發射技術在檢測金屬材料的早期疲勞損傷時不會出現誤判；實現了連續在線檢測。
文檔編號G01N29/14GK201637722SQ20102012855
公開日2010年11月17日 申請日期2010年3月5日 優先權日2010年3月5日
發明者何存富, 吳斌, 李佳銳, 顏丙生 申請人:北京工業大學