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    用超聲波探測金屬物體內部缺陷
    發布時間:2014-07-03   點擊次數:2434次

    高能超聲波領導生產商美國RITEC,擁有世界上*臺非線性超聲波測試系統, 由Gary Petersen and Bruce Chick于1986年共同創辦。他們的目的是為不斷深入研究超聲波無損評估(NDE)領域的用戶,開發出一系列由計算機控制的超聲檢測儀器。兩位創辦人Bruce和Gary在超聲領域的工作經驗加在一起,已經超過了90年。

     

           對機械設備和工程結構中的在役結構元件來說,它們在外界載荷的作用下,其壽命一般可分為 3個階段:早期的性能退化(包括物理、化學的老化和退化)、損傷的起始與積累(成孔和開裂)以及zui后的斷裂失效。其中,損傷的起始與積累已在細觀力學、損傷力學以及兩者相結合的學科基礎上得到了廣泛地研究?,F在也已有眾多數據和大量模型來預測循環加載、環境影響下的裂紋擴展直至zui后破壞。然而,人們對于性能退化及其對材料長期行為的影響卻知之甚少。盡管由于多種載荷的相互作用以及環境因素的影響,這幾個階段的區分并不明確。但對于設計良好的結構元件來說,常是第 l 階段(即早期性能退化)占據了整個壽命的大部分時間。特別地,研究表明:對承受循環載荷的金屬結構材料來說,從結構材料內部位錯群的大量產生到駐留滑移帶(persis - tent Slip band )的形成,再到駐留滑移帶內微裂紋的成核、長大,直到宏觀裂紋的形成,這一階段占結構材料整個疲勞壽命的 80 %、 90 %  。因此,發展材料和結構早期性能退化的監測和預報手段就顯得十分重要。

          從 1929 年 Sokolov 首先提出用超聲波探測金屬物體內部缺陷開始,超聲無損檢測已成為一種發展歷史較長的檢測材料性能的技術手段,并在工程實際中得到廣泛地應用。該技術看似已經成熟,然而事實并非如此現有的超聲無損檢測技術主要是針對結構壽命的第 2 (損傷的起始與積累)和第 3 (zui終失效)階段,如探測材料中的微孔、微裂紋等缺陷的存在和分布等。這主要應用了波的時程、聲速、衰減、阻抗、散射等信息,但對結構壽命的第 1 階段(性能退化)的檢測目前還主要停留在經驗的基礎上,可喜的是,經過zui近若干年的努力,力學、聲學和材料學領域的科學家和工程師們在這方面取得了一些進展,這就是人們發現材料性能退化與超聲波透過材料傳播的非線性效應密切相關一系列的試驗表明:材料性能退化總是伴隨著某種形式的材料非線性力學行為,從而引起超聲波傳播的非線性,即高頻諧波的產生的非線性聲學試驗結果表明:對單晶和多晶金屬材料來說,它們所承受的疲勞循環次數與高頻諧波之間存在緊密的關系。 Cantrell , Nazarov 等的研究表明,材料疲勞退化失效過程中的每一階段,都可以用非線性系數降(確切定義將在后面給出)表征。

          相對于基頻諧波來說,高頻諧波參量對材料疲勞壽命、拉伸性能退化、蠕變損傷、界面粘接強度等更為敏感。圖 1 所示為在循環疲勞載荷的作用下,金屬材料(鋁合金)和非金屬材料(聚碳酸醋)的超聲線性系數(如聲衰減、聲速)與非線性系數對循環次數的敏感程度可以看到當疲勞載荷循環次數達到一定值時,非線性系數較線性系數有非常明顯的變化。因此,通過測量二次或三次諧波系數,可以評價材料的早期性能退化,這為超聲無損檢測與評價技術的發展提供了新的思路。

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