微裂纹扩展的非共线超声混频定位研究

金属结构在早期服役过程中易出现微小裂纹,对早期微小裂纹扩展方向的检测与跟踪对避免结构失效而导致的突发性灾难具有重要的现实意义。基于非共线超声混频方法,开展金属材料微裂纹扩展的定位与表征研究。研究中选择两列横波相互作用产生混频纵波的非共线混频模式,通过实验测量验证了其混频效应和信号的传播性。选用铝合金7075-T6中预制的垂直和倾斜微裂纹为研究对象,提取每个测量点的超声混频非线性参数并进行归一化处理绘制成扫查成像图,从而表征微裂纹的长度与扩展方向。最后,将扫查成像图与光学显微镜的金相观察结果进行对比分析。研究表明,超声混频方法能够有效定位和跟踪铝合金材料中不同扩展方向的微裂纹,可为金属结构中微裂纹扩展提供检测方法。     

基于混沌分形理论的金属疲劳损伤过程的特征分析

为了有效地分析金属疲劳损伤过程中裂纹扩展与演化的特征,提出利用混沌分形理论对蕴含疲劳裂纹扩展规律的超声非线性输出信号进行分析,用Lyapunov指数、K熵、关联维数等特征量对金属疲劳损伤过程的特性进行表征和评价。采用RITEC公司的RAM-5000系统获得具有不同疲劳损伤程度试件的超声非线性输出信号,计算疲劳过程中的Lyapunov指数、K熵、关联维数。分析结果表明金属疲劳损伤过程中超声非线性输出信号具有混沌特性;Lyapunov指数、关联维数、K熵等特征值随疲劳循环次数单调递增,当宏观裂纹出现后趋于饱和,说明疲劳损伤过程中试件内部的复杂程度和混沌特征逐渐增强;由疲劳过程中微裂纹的演化规律可知,混沌分形特征值可以有效地表征试件在疲劳过程中裂纹的变化规律和群体性行为。因此混沌分形理论可以有效地分析金属疲劳损伤过程中裂纹扩展与演化的特征,根据混沌分形特征值—疲劳循环次数的关系,为试件的疲劳寿命预测提供了一种新的分析方法。     

表面裂纹的激光超声可视化兰姆波检测研究

兰姆波在板材的缺陷检测中具有重要的地位,但兰姆波在裂纹检测过程的可视化实验研究较少。通过激光超声可视化技术,观察了激光激励出的宽频兰姆波在0.4 mm深、0.2 mm宽的裂纹上的反射和透射现象;并利用带通滤波技术,研究了不同中心频率的兰姆波在裂纹上的散射特性。结果发现:兰姆波在裂纹上发生了模态转换现象,出现了传播速度较快的兰姆波模态;并随着兰姆波频率的增加,反射兰姆波的能量增强。该研究为板中裂纹的兰姆波检测提供了实验参考。     

Lamb波在铝板缝类缺陷检测中的应用

为了研究Lamb波在缺陷板检测中的应用,建立非线性Lamb波检测系统。该系统用于检测具有不同深度裂纹的铝合金板和具有不同拉伸载荷循环的铝合金板。通过快速傅里叶变换(FFT)对获取的时域波形进行分析,得到两种缺陷对Lamb波非线性效应的影响。测试结果表明,对于裂纹缺陷,缺陷深度增加将增大试件超声非线性效应。当裂纹深度超过4 mm时,裂纹缺陷的非线性效应不会增加。对于疲劳裂纹缺陷,裂纹缺陷的出现也会加剧试件非线性效应,但是当试件疲劳断裂时,其宏观缺陷对非线性影响较小。     

疲劳载荷下工业纯铁表面与内部裂纹长度的研究初探

疲劳裂纹扩展试验中,采用表面裂纹长度作为疲劳裂纹长度进行疲劳裂纹扩展计算和疲劳裂纹扩展模型建立的过程中,会导致计算的最终结果和模型产生一定的误差。对工业纯铁板材试样进行疲劳裂纹扩展试验,分析疲劳裂纹扩展过程中裂纹长度与裂纹扩展速率的关系,以及对疲劳裂纹扩展断口形貌特征进行观察。结果表明,上述2种方法均可来确定表面裂纹长度和内部裂纹长度之间的关系。     

钢轨服役疲劳特性的非线性表面波检测研究

该文利用非线性表面波检测方法对钢轨在不同服役年限后的疲劳特性进行评价,通过推导得到表面波相对非线性系数的测量表达式,选取服役期为0、1、2、5、10和20年的钢轨,采用楔块探头研究非线性表面波在钢轨截面传播特性,以此分析表面波非线性系数的规律。实验结果显示服役初始阶段钢轨的非线性系数的变化很小,随着服役时间的增加钢轨非线性系数变化速率呈现增大的趋势;通过对钢轨微观组织分析,表明位错密度增加所导致的微裂纹是钢轨的非线性系数增大的重要原因。研究将为非线性超声检测钢轨服役疲劳损伤提供理论依据,对预防钢轨因疲劳导致的失效,保证钢轨的安全服役和铁路运行安全提供新的研究方向。     

考虑结构裂纹扩展的振动疲劳寿命计算方法

工程实践中任何结构都存在不同程度的裂纹损伤,振动激励下动响应与疲劳裂纹扩展之间互相耦合,直接影响结构振动疲劳寿命.为了考虑结构振动疲劳耦合效应对疲劳寿命的影响,提出了一种考虑结构裂纹扩展的振动疲劳寿命计算方法.分析时,通过建立若干个含不同长度裂纹的结构有限元模型模拟结构裂纹扩展,采用Paris方程分段计算结构振动疲劳裂纹扩展寿命,通过试验确定的固有频率降变化规律反推结构裂纹萌生寿命,最后累计得到结构疲劳总寿命.结论表明,仿真计算结果与试验结果比较吻合.     

超声疲劳试验方法对S06钢疲劳性能及裂纹萌生机制的影响

采用超声疲劳试验方法和试样尺寸相近的高频疲劳试验方法对S06钢进行疲劳性能试验,将试验数据和试样断口形貌进行对比,研究超声疲劳试验方法对S06钢疲劳性能和裂纹萌生机制的影响.结果表明:在相同的应力水平下,超声加载频率下S06钢的疲劳寿命高于高频疲劳试验测得的疲劳寿命;超声疲劳试验中裂纹全部从表面萌生,而高频疲劳试样裂纹有表面萌生和内部萌生两种机制.分析了超声加载频率对S06钢疲劳性能和裂纹萌生机制产生影响的原因:对疲劳性能的影响与金属材料的晶体结构和裂纹尖端的化学反应有关,对裂纹萌生机制的影响与试样表层残余应力松弛有关.     

兰姆波在裂纹处的模态转换及散射特性研究

该文采用散射矩阵表征兰姆波在缺陷处的模态转换和散射特性, 研究了S₀模态兰姆波与亚波长级槽形裂纹的交互作用. 由板中导波模态位移场的特性, 提出了只存在零阶模态时的模态分离方法. 求解了S₀模态在不同尺寸裂纹处的多模态散射矩阵. 结果表明, S₀模态入射到裂纹时, 散射波动场周向分布不均, 与入射角度相关;散射特征的强弱由裂纹长度决定, 长度越短, 散射特征越明显;各散射模态的能量分配由裂纹的深度决定, 随着裂纹深度增加, 散射的S₀和SH₀模态能量增加, 而A₀模态先增加后急剧减小.     

光纤布拉格传感器兰姆波检测的反射谱分析

传统的兰姆波多采用压电陶瓷换能器激发和接收。建立了新的超声兰姆波无损检测系统,其基本思想是采用布拉格光纤传感器作为兰姆波的接收器。光纤光栅传感的基本原理是通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量如超声的测量。超声作用下光纤光栅的反射谱发生变化,对超声作用下光纤光栅的反射谱变化进行了数值分析,结果表明,超声对光栅反射谱的影响与超声波长与光栅长度的比值是高度相关的。只有当这个比值相当大时,反射谱的形状才不会变化而中心波长发生偏移,此时光纤传感器可用来探测兰姆波。这个结论为利用新的兰姆波无损检测系统在布拉格光栅长度的设计和兰姆波波长的选择方面提供了有用的工具。     

光纤非本征法布里-玻罗传感器兰姆波检测灵敏度分析

基于兰姆波的结构工况检测技术在评估复合材料和金属结构的安全性和耐久性方面发挥着重要的作用。作为对传统的压电换能器（PZT）的一种很好的替代,光纤传感器在传感方面的应用正被广泛地挖掘出来,包括兰姆波检测。本文从理论上建立了超声兰姆波作用下光纤非本征法布里．玻罗（EFPI）传感器参数与其输出性能之间的关系。数值结果显示了传感器的性能与其相对于声源的方向角以及传感器的计量长度与超声波长的比值相关。所得出的结论对于EFPI传感器精确地探测兰姆波提供了理论依据。     

近表面疲劳裂纹的水浸式非共线横波混频检测方法研究

针对近表面疲劳裂纹检测问题,开展了水浸式非共线横波混频检测方法研究。在材料非线性、水/试件界面和疲劳裂纹不同非线性源情况下,分析相互作用角和频率比对混频非线性效应的影响规律。在此基础上,对有无近表面疲劳裂纹试件沿着深度方向进行扫查检测。结果表明,在不同非线性源情况下,混频特征图具有显著差异,根据混频特征图中和频纵波峰值及其对应相互作用角可对试件近表面疲劳裂纹进行检测;水/试件界面对近表面疲劳裂纹非共线横波混频检测具有一定影响,去参考检测方法可显著降低水/试件界面的影响,实现对近表面疲劳裂纹的有效检测。     

基于激光超声的金属构件表面微裂纹定量检测技术研究

传统超声无损检测技术一般需对比裂纹构件与无损构件响应数据,分析两者差异以识别裂纹;两次测量结果易受人工操作误差、外界环境变化影响,导致裂纹误检。针对该问题,提出一种基于激光超声的金属构件表面微裂纹定量检测技术,该技术通过提取激光超声波与裂纹构件作用后非线性特征参数改变量实现裂纹定量检测,无需参考无损构件响应数据,能有效减少因人工操作误差、外界环境变化引发的裂纹误检;利用激光辐照构件激发超声波,根据构件时域动态响应信号重构相空间,引入一种非线性特征参数提取方法对构件上相邻辐射点之间状态空间改变量进行评估以实现裂纹检测。构建实验系统对空压机缸体表面实际砂孔缺陷及疲劳裂纹进行检测,结果表明所提技术能有效定量检测金属构件表面微裂纹。     

高温下直流电位法测量裂纹长度的应用

介绍了用直流电位法测量疲劳裂纹长度方法的基本原理、实现方法及所需配置的仪器,并对有关影响因素作了分析。该测量系统主要用于高温下的各种材料在恒幅载荷下的疲劳裂纹扩展和门槛值试验中的疲劳裂纹长度的测量,可提高测量疲劳裂纹长度的自动化水平。     

颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和扩展行为的影响

通过原位扫描电子显微镜(SEM)研究了粉末冶金制备的Cu/WCp复合材料的疲劳裂纹萌生和扩展行为,分析了颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和早期扩展行为的影响。结果表明:疲劳微裂纹萌生于WCp颗粒和基体Cu的界面;微裂纹之间相互连接并形成主裂纹,当主裂纹和颗粒相遇时裂纹沿着颗粒界面扩展。在低应力强度因子幅ΔK区域疲劳小裂纹具有明显的"异常现象",并占据了全寿命的71%左右。疲劳小裂纹的早期扩展阶段易受局部微观结构和颗粒WCp的影响,扩展速率波动性较大,随机性较强;当小裂纹长度超过150μm时,裂纹扩展加快直至试样快速断裂。裂纹偏折、分叉和塑性尾迹降低了疲劳裂纹扩展速率,而颗粒界面脱粘则提高了复合材料的疲劳裂纹扩展速率。通过数值模拟也可以发现颗粒脱粘增大了材料的疲劳扩展驱动力,从而提高了疲劳裂纹扩展速率。     

超声导波混频表征和定位早期局部损伤的研究进展

超声导波具有远距离传输的特性，能够快速、有效地大范围检出薄板中的损伤或缺陷。非线性超声导波相较于传统超声导波，主要研究基波与材料中微观组织演化相互作用而产生的高阶谐波，对尺寸远小于基波波长的损伤或缺陷比较敏感。其中，超声导波的二次谐波相对容易激发，已被用于定量评估早期损伤。但是，超声导波的二次谐波容易受到测量系统非线性的干扰，并且无法定位材料中的局部损伤。超声导波混频在频率、模式、传播方向的选择上具有一定的灵活性，克服了二次谐波的缺点。目前，超声导波混频在理论、模拟和实验上取得了一定的进展，已被用于表征和定位金属材料中处于早期阶段的疲劳、热老化、微裂纹、冲击损伤和局部塑性变形等。高频段超声导波混频、兰姆波相向混频和非共线混频中差频谐波或和频谐波的传播性，以及更多类型损伤的定位和表征仍有待进一步研究。     

高频载荷下高强钢的超高周疲劳及热耗散研究

应用超声疲劳试验技术,对两种高强度钢(42CrMo4,100Cr6)在20kHz频率下的超高周疲劳性能进行测试分析.实验结果表明:两种钢的S -N曲线在106周发生了明显的变化,出现了水平渐近线.尽管23个42CrMo4钢试样用于1010周的疲劳试验,但在8.76×107循环周次以上,没有疲劳破坏发生,42CrMo4钢存在疲劳极限,而100Cr6钢的S -N曲线呈现台阶型.高精度热成像仪检测不同载荷条件下疲劳试样温度的变化结果显示:温度的变化与试验材料和加载水平有关.试样温度的快速升高发生在超声疲劳试验的初期,温度的变化反映了材料内部的热耗散过程.裂纹萌生后,微裂纹处不可逆的局部塑性变形导致裂纹萌生区温度急剧升高,疲劳试样内部温度场的变化反映材料的疲劳损伤过程.SEM观察表明:在长寿命区,疲劳裂纹常萌生于试样内部或次表层组织缺陷处.     

金属疲劳断裂的声发射检测技术

疲劳断裂是金属结构的主要失效形式,通过金属疲劳断裂时声发射特征参数的提取,建立了声发射特征参数和裂纹扩展速率之间的关系,由试样的三点弯曲疲劳试验,证明采用声发射技术监测疲劳裂纹的扩展,不仅与疲劳裂纹扩展的变化规律相似,而且能实时的捕捉到疲劳裂纹的产生。     

PVD薄膜传感器裂纹检测概率测定与分析

为利用PVD(physical vapor deposition)薄膜传感器对金属结构裂纹的检测能力进行定量化表征,首先采用正交实验优化后适用于LY12-CZ铝合金的工艺参数,在3组中心孔板实验件上分别制备币状、1mm宽同心双环状、0.5mm宽同心三环状3种不同形状的PVD薄膜传感器。随后,在实验室条件下开展疲劳裂纹在线监测实验,对比分析PVD薄膜传感器电位输出信号和显微镜观测结果。最后,采用改进的裂纹尺寸间隔法和二项分布检测模型绘制PVD薄膜传感器总体与不同形状的裂纹检测概率曲线。PVD薄膜传感器在95%置信水平下,对长度大于0.99mm的裂纹检出概率可达93.56%;相比于币状薄膜传感器,同心环状薄膜传感器对小于0.5mm的裂纹更为敏感,且传感器通道宽度越细,对小尺寸裂纹的检测概率越高。     

Q235钢疲劳损伤的非线性Rayleigh波检测技术研究

该文采用非线性Rayleigh波检测方法,研究Q235钢拉伸疲劳损伤和腐蚀疲劳损伤的测试与评价过程;搭建非线性Rayleigh波检测系统,分别在不同拉伸频率的循环拉伸载荷和腐蚀疲劳载荷下,采集非线性声波时域信号并进行频谱分析,测量非线性系数随加载载荷周期数的变化趋势,并分析拉伸频率和腐蚀环境对非线性系数的影响。实验结果表明:Q235钢试件的超声非线性系数与疲劳周数具有一定的单调递增关系,超声非线性系数可以用来表征材料的表面疲劳损伤程度;拉伸频率对试件的疲劳损伤影响小,不同频率拉伸疲劳下,钢材的非线性系数相差不大;腐蚀环境会加剧试件的疲劳损伤程度,在腐蚀疲劳载荷下,非线性系数会增大。实验结果可为研究Q235钢拉伸疲劳损伤和腐蚀疲劳损伤的测试与评价过程提供一定的指导。