吴 斌, 颜丙生, 何存富, 焦敬品

(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京 100124)

金属零部件由于承受载荷而产生力学性能退化,其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(Persistent slip bands,PSBs)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[1]。对于设计良好的结构元件,第一和第二阶段一般占整个寿命的 80%～90%[2],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。

超声无损检测技术利用波的时程、声速和衰减等物理参数已经可以对构件寿命的第三阶段进行有效的检测和评估[3]。但是,上述线性物理参数对材料和结构早期力学性能退化并不敏感[4]。近期相关实验研究表明金属材料的早期力学性能退化与超声波的非线性效应密切相关[5-10]。在金属材料的早期力学性能退化阶段,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变,从而产生高次谐波。因此,通过对这些高次谐波的检测,可以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。

非线性超声无损检测技术一直是研究的热点。Nagy PB[4]通过实验比较了超声线性和非线性参数对材料疲劳失效的敏感程度。指出随着疲劳次数的增加,非线性系数明显增加,但是线性参数(衰减、声速等)却没有发生明显变化。Yost and Cantrell[7]从实验上验证了疲劳引起的位错对超声非线性系数的影响。……