張志輝，李 峰

（1.鄭州騰飛建設(shè)工程集團(tuán)有限公司集團(tuán)技術(shù)部，河南 鄭州 450047；2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 451460）

根據(jù)金屬構(gòu)件在各階段的使用性能變化情況，可以將其壽命周期分成初期性能退化、中期損傷積累以及最后的斷裂失效共3 個(gè)階段［1-2］。當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼受到拉伸、交變應(yīng)力的綜合作用以及外部因素的影響后，會(huì)引起服役過(guò)程發(fā)生塑性損傷以及產(chǎn)生微裂紋缺陷情況［3-4］。

進(jìn)行塑性損傷測(cè)試時(shí)，文獻(xiàn)［5-6］以非線性Lamb 波的方法對(duì)Q345-T6 與1100-H14 結(jié)構(gòu)鋼薄板發(fā)生塑性損傷情況進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示可以利用累積二次諧波評(píng)估材料結(jié)構(gòu)損傷程度。文獻(xiàn)［7］通過(guò)非線性縱波測(cè)試AZ31鎂結(jié)構(gòu)鋼受拉伸時(shí)塑性損傷，結(jié)果顯示當(dāng)塑性損傷程度提高后，聲學(xué)非線性參數(shù)（ANP）發(fā)生了單調(diào)上升的趨勢(shì)。文獻(xiàn)［8］通過(guò)非線性超聲方法評(píng)價(jià)SS41 鋼性能退化，結(jié)果顯示縱波非線性系數(shù)表現(xiàn)為與應(yīng)力大小等比變化的規(guī)律。文獻(xiàn)［9］通過(guò)激光表面波的方法測(cè)定變形2024-T4結(jié)構(gòu)鋼的非線性系數(shù)。文獻(xiàn)［10］以非線性電磁超聲的方式綜合評(píng)價(jià)了結(jié)構(gòu)鋼的拉伸變形情況，表明根據(jù)電磁超聲縱波方式與非線性方法評(píng)價(jià)塑性拉伸載荷的變形程度能夠滿足要求。

電磁超聲檢測(cè)不需要使用耦合劑，可以適應(yīng)多種材料表面以及良好的重復(fù)性，能夠滿足對(duì)金屬材料進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)的要求［11-13］。本文分析了表面波引起的結(jié)構(gòu)鋼非線性塑性響應(yīng)性能，構(gòu)建得到應(yīng)力應(yīng)變、塑性損傷與超聲非線性系數(shù)的相互作用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)特性與使用壽命進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程。通過(guò)CMT-5205 微機(jī)實(shí)現(xiàn)電子萬(wàn)能拉伸機(jī)對(duì)其實(shí)施非線性電磁超聲測(cè)試。

1 電磁超聲檢測(cè)原理

利用電磁超聲換能器（EMAT）激發(fā)得到超聲波，當(dāng)其作用于不同應(yīng)變的塑性區(qū)時(shí)，將會(huì)引起材料內(nèi)部組織發(fā)生非線性應(yīng)變，從而造成非線性畸變的結(jié)果，形成了包含二次諧波的高次諧波［14-15］。

塑性損傷是材料發(fā)生硬化時(shí)產(chǎn)生的不可逆變形，同時(shí)因?yàn)槲诲e(cuò)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特征受到周圍區(qū)域的直接影響，從而導(dǎo)致局部區(qū)域發(fā)生非線性應(yīng)力應(yīng)變情況，因此超聲應(yīng)力波在該區(qū)域出現(xiàn)較大的非線性擾動(dòng)，導(dǎo)致高次諧波的產(chǎn)生。

固體介質(zhì)非線性應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式為

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量；β、γ分別為二次、三次諧波幅值。

在表面波中包含了非均勻縱波和橫波兩個(gè)部分，可以將位移分量分解為縱向與剪切方向的2 個(gè)分量。3 階彈性常數(shù)具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，從而在各向同性材料中不會(huì)表現(xiàn)出剪切波的聲學(xué)非線性，使得縱波分量成為表面波中聲學(xué)非線性的一個(gè)重要影響因素。

2 實(shí)驗(yàn)方案

室溫狀態(tài)下，根據(jù)GB/T 228.1—2010對(duì)建筑用10 mm 厚的Q345鋼加工得到拉伸試樣。試樣各尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 拉伸試件尺寸Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen size

通過(guò)CMT-5205 微機(jī)實(shí)現(xiàn)電子萬(wàn)能拉伸機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，完成試件的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能表征，為達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)加載的效果，設(shè)定加載速率2.0 mm/min。為控制試件中間區(qū)域形成應(yīng)力集中并發(fā)生塑性損傷，為中部區(qū)域設(shè)置了一對(duì)長(zhǎng)度3 mm 與寬度0.2 mm 的開(kāi)口。通過(guò)離線測(cè)試的方法，將加載到不同應(yīng)變程度的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行卸載后，再對(duì)其實(shí)施非線性電磁超聲測(cè)試。

非線性電磁超聲測(cè)試系統(tǒng)由激發(fā)端EMAT、Ritec-SNAP-5000、接收端PZT、放大器、示波器、阻抗匹配電路、濾波器、被測(cè)部件共同組成，具體如圖2 所示。設(shè)定激發(fā)線圈的頻率為1.6 MHz，磁鐵的剩余磁通密度為1.2 T［16］。

圖2 超聲檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Ultrasonic testing system

經(jīng)過(guò)測(cè)試?yán)燧d荷80 kN 后試件拉斷斷裂，形成的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。本試驗(yàn)研究2個(gè)變化參數(shù)——拉伸載荷和加載速率?？紤]到本文用的材料Q345鋼主要用于汽車輕量化領(lǐng)域。實(shí)際情況，變化參數(shù)取值范圍為拉伸載荷20～80 kN，加載速率為1～3。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve

為避免受到重疊效應(yīng)的影響，控制激發(fā)信號(hào)中心頻率為1.6 MHz，同時(shí)包含了5 個(gè)周期的漢寧窗函數(shù)tone-burst 信號(hào)，得到如圖4 所示的激勵(lì)電流波形。

圖4 激勵(lì)電流信號(hào)波形Fig.4 Exciting current signal waveform

當(dāng)材料受到拉伸載荷作用后會(huì)產(chǎn)生非線性應(yīng)力應(yīng)變情況，試件趨膚層受到EMAT 激發(fā)作用后形成表面波并傳播到被測(cè)鋁板處，超聲波和材料作用后形成非線性畸變，同構(gòu)接收端表面波PZT探頭探測(cè)超聲波畸變信號(hào)，并分析引起畸變的各作用因素。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 拉伸載荷結(jié)果

不同拉伸載荷試件應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1 可知，隨著拉伸載荷的增加，應(yīng)力表現(xiàn)出先增加后減小的變化，最大值發(fā)生在拉伸載荷60 kN處。

表1 不同拉伸載荷試件的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of stress and strain results of specimens under different tensile loads

選擇塑性損傷程度不同的試件作為樣本，將各試件設(shè)置在同樣的檢測(cè)位置，每個(gè)試樣分別測(cè)試3次，同時(shí)記錄二次諧波的幅值。處理接收端獲取的信號(hào)，采集除主沖擊波以外的第一個(gè)波形信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從中提取出基波幅值和二次諧波幅值，之后計(jì)算得到非線性系數(shù)。

令二次諧波幅值為

式中：A1為基波幅值；A2為二次諧波幅值；k為波數(shù)；β為非線性系數(shù)。

對(duì)采獲得的時(shí)域波包數(shù)據(jù)實(shí)施頻域轉(zhuǎn)換。為便于觀測(cè)頻域波形，采用歸一化方法處理基波幅值得到歸一化頻譜幅值如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，拉伸載荷小于60 kN 時(shí)，形成了更大幅度的二次諧波；拉伸載荷大于60 kN 后試件發(fā)生了二次諧波幅的顯著減小，表明二次諧波幅能夠放映出來(lái)試件塑性損傷程度。

圖5 歸一化頻譜幅值Fig.5 Normalized spectral amplitude

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展深入分析，重點(diǎn)分析了二次諧波的幅值改變情況，研究非線性系數(shù)和塑性損傷程度關(guān)系，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 不同拉伸載荷試件的二次諧波幅值和非線性系數(shù)分布Tab.2 Second harmonic amplitude and nonlinear coefficient distribution under different tensile loads

3.2 加載速率結(jié)果

不同加載速率試件應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。由表3 可知：隨著加載速率的增加，應(yīng)力表現(xiàn)出先增加后減小的變化，最大值發(fā)生在加載速率2 mm/min處。

表3 不同加載速率試件的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of stress and strain results of specimens under different tensile loads

不同拉伸載荷試件的二次諧波幅值和非線性系數(shù)分布如表4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，加載速率小于2 mm/min 時(shí)，形成了更大幅度的二次諧波；加載速率大于2 mm/min 后，試件發(fā)生了二次諧波幅的顯著減小。

表4 不同加載速率試件的二次諧波幅值和非線性系數(shù)分布Tab.4 Second harmonic amplitude and nonlinear coefficient distribution under different tensile loads

3.3 結(jié)果分析

分析表2、表4 中二次諧波幅值結(jié)果可知：當(dāng)在試件中設(shè)置不同應(yīng)變程度的塑性損傷后，都形成了比未塑性損傷試件更大的二次諧波變化幅度，這是因?yàn)樵嚰l(fā)生塑性損傷時(shí)，超聲波傳播時(shí)會(huì)形成高次諧波。提高塑性損傷程度后，材料受到超聲波后發(fā)生了更明顯的非線性應(yīng)力應(yīng)變，引起更明顯的超聲波畸變。拉伸載荷80 kN試件容易在拉伸中部產(chǎn)生明顯頸縮情況，由頸縮切面空隙構(gòu)成了不連續(xù)分布的微裂紋區(qū)，導(dǎo)致二次諧波幅值發(fā)生了快速減小。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)變達(dá)到7%以下試件塑性損傷程度提高后，形成了更大幅度的二次諧波，應(yīng)變達(dá)到7%以上試件發(fā)生了二次諧波幅的顯著減小。

（2）試件不同應(yīng)變程度的塑性損傷后，形成了比未塑性損傷試件更大的二次諧波變化幅度。提高塑性損傷程度后，材料受到超聲波后發(fā)生了非線性應(yīng)力應(yīng)變，引起更明顯的超聲波畸變。應(yīng)變達(dá)到7%以上時(shí)，材料發(fā)生了頸縮，結(jié)構(gòu)鋼試件應(yīng)力也發(fā)生了減小。