金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置，属于无损检测领域。单用非线性超声方法对疲劳早期损伤进行检测，容易出现误判。声发射技术不能检测金属材料早期疲劳损伤情况。该装置包括非线性超声检测模块和声发射监测模块；非线性超声检测模块依次包括有任意函数发生器、功率放大器、高能低通滤波器、被测试件、分别安装在被测试件两侧的激励传感器和接收传感器、示波器和计算机；声发射监测模块包括有安装在被测试件一侧的声发射传感器、声发射前置放大器、声发射仪；声发射仪也连接上述计算机。本实用新型专利技术在非线性超声无损检测的基础上引入声发射技术在检测金属材料的早期疲劳损伤时不会出现误判；实现了连续在线检测。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置，属于无损 检测领域。
技术介绍
机械零部件由于疲劳而断裂失效是一种非常普遍的现象，据估计，大约70%以上 的机械零部件失效是由疲劳损伤所引起的。在外载荷的作用下，金属零部件的疲劳寿命一 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。 对于设计良好的结构元件来说，第一阶段一般占金属零部件整个疲劳寿命的60% 80%。 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。现有的超 声无损检测技术利用波的时程、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估。但是，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。非线性超声无损检测方法利用声波在金属材料中传播时的非线性效应(即波形 畸变、谐波产生等)可以对材料的早期疲劳损伤进行检测。在疲劳早期，非线性系数β随 疲劳周数的增加而增大。但在疲劳后期由于疲劳裂纹的大量出现，β反而减小，且分散性 增大，如果单独利用非线性超声方法对疲劳早期损伤进行检测，容易出现误判。声发射技术 作为一种“被动”探伤技术，可以通过对疲劳声发射信号的分析处理对疲劳裂纹进行连续监 测，但声发射技术不能检测疲劳裂纹出现前的金属材料早期疲劳损伤情况。为解决这一问 题，采用非线性超声和声发射技术共同检测金属材料零部件的早期疲劳损伤。
技术实现思路
本技术的目的在于提出一种金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装 置，特别是针对疲劳早期损伤的无损检测方法。可以在不破坏被测零部件的情况下，利用非 线性超声和声发射技术的配合有效检测金属零部件的疲劳损伤。金属材料疲劳早期损伤 非线性超声在线检测装置，其特征在于该装置包括非线性超声检测模块和声发射监测模 块；非线性超声检测模块依次包括有任意函数发生器、功率放大器、高能低通滤波器、被测 试件、分别安装在被测试件两侧的激励传感器和接收传感器、示波器和计算机；声发射监测 模块包括有安装在被测试件一侧的声发射传感器、声发射前置放大器、声发射仪；声发射仪 也连接上述计算机。本技术其基本原理在于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，从而产生高次谐波，非线性系数β可以表征材料的非线性效应，定义为 ⑴其中k = ω/c为波数，ω为角频率，c为波速，A1和A2分别为基波和二次谐波幅 值，X为波传播的距离。对于给定的频率和样品长度，通过对基波和二次谐波幅值的测量， 就可以确定材料的超声非线性系数。金属材料的非线性主要来自于位错、晶带滑移等微观 缺陷。不同疲劳损伤程度具有不同的微观缺陷组态，非线性系数的大小也不同，从而借助非 线性系数来了解材料的早期疲劳损伤情况。如图5所示，在疲劳早期，非线性系数β随疲劳周数的增加而增大。但在疲劳后 期由于疲劳裂纹的大量出现，β反而减小，且分散性增大，如果单独利用非线性超声方法对 金属材料的早期疲劳损伤进行检测，容易出现误判。例如，图5中所示疲劳周数为12000周 和29000周时的超声非线性系数近似相等，这样仅根据β的值将无法判断金属材料所处的 疲劳阶段。声发射(Acoustic Emission，简称AE)又称应力波发射，是指材料或物体内部因 内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段或有裂纹形成和扩展、断裂时快速释 放出应变能而产生瞬态应力波的现象。声发射技术是用仪器检测、记录、分析声发射信号并 利用声发射信号推断声发射源的技术，它是检测材料内微观过程(即裂纹开裂、扩展)的非 常灵敏的技术。因为声发射信号来自材料本身的缺陷，是一种“被动”探伤技术，可以长期 连续地在役监测工程结构主要部位缺陷的发展变化，对服役的工程结构几乎不会造成什么 影响和妨碍。但声发射技术无法对产生疲劳裂纹前的早期阶段进行检测。因此可以利用声发射技术监测疲劳裂纹的萌生和发展，非线性超声技术检测疲劳 的早期阶段，即能解决非线性超声检测疲劳损伤的误判问题，又可以实现对金属材料零部 件的疲劳全过程检测。本技术主要具有以下优点(1)在非线性超声无损检测的基础上引入声发射 技术使非线性超声在检测金属材料的早期疲劳损伤时不会出现误判；(2)采用非线性超声 和声发射技术可以实现对金属材料零部件的疲劳全过程检测；(3)实现了对被测试件的连 续在线检测。附图说明图1检测装置原理图；图中1、函数发生器，2、功率放大器，3、高能低通滤波器，4、激励传感器，5、接收传 感器，6、示波器，7、声发射传感器，8、声发射前置放大器，9、声发射仪，10、计算机。图2检测方法流程图；图3被测试件尺寸示意图；图4非线性超声检测信号图；(a)激励信号，(b)接收信号，(C)基波幅值，(d) 二次谐波幅值图5非线性系数和疲劳周数关系曲线；具体实施方式本技术采用如下的技术方案。本装置包括非线性超声检测模块和声发射监测 模块。如图1所示，非线性超声检测模块主要有任意函数发生器1、功率放大器2、高能低通 滤波器3、激励传感器4、接收传感器5、示波器6和计算机10 ；声发射监测模块主要有声发射传感器7、声发射前置放大器8、声发射仪9和计算机10。各模块的功能如下非线性超声检测模块中任意函数发生器1可根据输入的被测试件参数和选择的 激励频率、周期数和幅值自动生成Tone burst激励信号。功率放大器2将任意函数发生器 1所产生的波形进行信号放大。高能低通滤波器3的功能则是在检测过程中滤除由功率放 大器2射频门产生的高频谐波信号。被放大的300V左右的高电压激励信号通过同轴电缆 传至纵波激励传感器4。通过激励传感器4激励信号被耦合入被测试件。安装在另一侧的 接收传感器5检测通过被测试件透射过来的弱电压超声信号，并送给示波器6进行显示和 保存。声发射监测模块中声发射传感器7可以采集由被测试件产生的声发射信号。声发 射信号经过声发射前置放大器8放大后送入声发射仪9进行信号处理，当声发射信号幅值 超过声发射仪预设的门槛值，声发射仪判定振铃。为了激励最强的信号，激励传感器4的中心频率和激励信号频率一致。为了接收 到最强的二次谐波信号，接收传感器5的中心频率为激励传感器4中心频率的2倍。激励 传感器4、接收传感器5和声发射传感器7通过耦合剂如凡士林等与被测试件接触。示波器6与计算机10是负责信号的接收、显示和处理。通过计算机10对声发射 信号的处理和分析，可以判定疲劳裂纹是否出现。通过计算机10对非线性超声信号进行处 理，计算出超声非线性系数β，并依据β来了解被测试件的早期疲劳损伤情况。本技术的非线性超声和声发射检测方法是按以下步骤进行的1)根据被测试件的厚度确定激励信号周期数、频率和幅值，为了减少仪器和随机 因素产生的谐波干扰，取试件在厚度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。将所选激励信号参数输入任意函数发生器1生成所需单一音频信 号。根据空载时的噪声信号幅值确定声发射仪门槛值。2)根据图1所示搭建检测系统。3)给被测试件进行疲劳加载，在被测试件疲劳过程中，由声发射传感器7连续实 时检本文档来自技高网...

【技术保护点】
金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测装置，其特征在于：该装置包括非线性超声检测模块和声发射监测模块；非线性超声检测模块依次包括有任意函数发生器、功率放大器、高能低通滤波器、被测试件、分别安装在被测试件两侧的激励传感器和接收传感器、示波器和计算机；声发射监测模块包括有安装在被测试件一侧的声发射传感器、声发射前置放大器、声发射仪；声发射仪也连接上述计算机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴斌，颜丙生，李佳锐，何存富，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]