非线性超声检测技术的应用和发展_尚飞.pdf

第 41 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.41,No.6Dec.,2022声学技术Technical Acoustics非线性超声检测技术的应用和发展尚 飞，张宏辉(内蒙古科技大学，内蒙古包头 014000)摘要：作为新型的超声检测手段，非线性超声检测技术因对微小缺陷有较高检测精度以及检测过程中不受材料外形影响等特点，受到众多学者的广泛关注。结合国内外学者的研究成果，文章介绍了高次谐波法与混频法两种检测方法的原理、应用以及优势等，对非线性检测技术的现状进行综述，并对其未来发展提出展望。关键词：非线性超声；混频法；高次谐波法；缺陷检测中图分类号：TB559 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2022)-06-0846-08Application and development of nonlinear ultrasonic testing technologySHANG Fei,ZHANG Honghui(Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014000,Inner Mongolia,China)Abstract:As a new type of ultrasonic testing method,the nonlinear ultrasonic testing technology has attracted wide attention due to its high detection performance for small defects and no influence of material shape in the testing process.Based on the domestic and foreign research results,this paper introduces the principles,application and advantages of the high-order harmonic method and several mixing methods,summarizes the current situation of nonlinear testing technology and puts forward the prospect for the future development.Key words:nonlinear ultrasonic;hybrid frequency method;high harmonic method;testing detection0前 言2035年我国将完成从“制造大国”到“制造强国”的转型，期间计划实现工业基础生产设施升级换代1这一基本目标。直至2020年，我国10种有色金属产量首次突破6 000万吨，占据世界金属产量首位。其中大多金属材料长时间工作在高温高压环境中，金属和胶层逐渐老化，当累积损伤到达一定值后，将导致设备发生毁坏造成伤亡等重大安全事故2。由于材料的损伤累积时间占服役的大部分时间，因此材料早期结构损伤的无损检测与评估成为众多学者研究的焦点。相较于其他检测方法，超声检测技术具有适用性强、范围广、精度较高、实时检测性强等特点，是无损检测中的主要技术手段3-6。超声检测技术主要包括：线性超声检测技术6和非线性超声检测技术7-8。线性超声检测技术利用声波在传播过程中的能量损耗、反射、透射9、衍射等特征对缺陷的尺寸和位置进行检测和评估。线性超声检测常运用于微裂纹积累导致疲劳断裂阶段，当材料缺陷尺寸远小于超声波波长的二分之一或被检测材料的声阻抗相差较小时，线性超声对材料早期缺陷的检出性会大大降低。众多学者在对线性声学研究过程中发现：质点的运动实质上遵循胡克定律，声波在传播过程中波形和频率保持不变，幅值与相位发生变化。当传播介质具有非线性时，质点运动的非线性将不能忽略，且不再满足胡克定律。此时声波在非线性介质传播过程中将表现出一系列非线性特征，例如：波形畸变，高次谐波滋生以及边频带形成等现象10-15，这些特征为非线性超声检测技术在材料早期损伤检测提供了理论依据。在理论研究过程中，由于固体介质中非线性波动方程解析过程相当复杂，无法使用解析法得到精确解，为此大多数学者使用摄动法16等求得近似解。通过国内外学者的不断研究17-21，声波在各向同性引用格式：尚飞,张宏辉.非线性超声检测技术的应用和发展J.声学技术,2022,41(6):846-853.SHANG Fei,ZHANG Honghui.Applica-tion and development of nonlinear ultrasonic testing technologyJ.Technical Acoustics,2022,41(6):846-853.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2022.06.009收稿日期:2021-06-24;修回日期:2021-08-17基金项目:国家自然科学基金面上项目(52075270)、内蒙古自治区自然基金博士基金(2018BS05004)、内蒙古科技大学创新基金项目(2017QDL-B08)。作者简介:尚飞(1988)，男，内蒙古包头人，博士，讲师，研究方向为超声无损检测。通信作者:张宏辉，E-mail:第 6 期尚飞等：非线性超声检测技术的应用和发展固体介质中的传播特性更加清晰，推动了非线性声学在工业领域的应用22-26。根据声波在固体介质传播过程中非线性特征的表现形式不同，非线性超声检测方法主要分为：高次谐波法27和混频法28。作为目前研究最广泛的非线性超声检测方法，高次谐波法可以对材料疲劳损伤29-31、塑性变形32-34、界面结合强度35-37等早期损伤进行检测和评估。随着声波混频理论和超声设备性能的不断发展，近些年非线性超声混频技术成为研究热点。超声混频技术可以通过调节激励时间或移动探头位置来改变超声传播方向，实现对材料进行扫查和缺陷定位等功能；该技术可用于实时频率监控，剔除系统本身的非线性。作为材料微观缺陷有效的检测手段和评价方法，两种非线性超声检测方法各有特点，都在一定程度上弥补了线性超声检测手段的不足。1高次谐波法1.1理论依据高次谐波法的基本原理：当材料内部存在微小缺陷时，声波传播时将会产生一系列频率为基波整数倍的高次谐波。其中高次谐波幅值经数学模型转化为非线性系数，用来表征材料的非线性。二阶非线性超声波在各向同性的金属介质中传播时可简化为一维波动方程：1(x,t)x=2ut2(1)式中：(x,t)为x方向上的正应力；u为x方向上位移；为材料的密度。当声波产生小应变时有：=ux(2)材料的非线性本构关系表达式为=Ef()(3)式中：E为材料的弹性模量；f()为关于应变的函数关系式。将式(2)、(3)代入式(1)中，得到：E2ut2=f()2ux2(4)为求得式(4)中方程的特解，将应变函数f()幂级数展开，材料非线性本构关系可以改写为=Ef()=E(+122+133)(5)式中：为二阶非线性系数；为三阶非线性系数。与均与材料的高阶弹性常数有关。将式(5)代入式(4)中，可得：c22ut2=f()2ux2=2ux2+ux2ux2(6)求解式(6)中方程较困难，国内外学者大多采用摄动法16来求得近似解。将x方向的位移函数级数展开合并整理得：u()x,t=A1cos()kx-wt-A2cos2()kx-wtA2=18()A20k2x=8()A2A211k2x=A2A1=(7)式中：A1为基波幅值；A2为二次谐波幅值；为相对非线性系数(传播距离较远时)，为归一化非线性系数。1.2国内外研究进展二十世纪中期许多学者探究非线性超声在固体介质中的传播规律时，发现声波在单金属介质中传播时会产生谐波分量。Goldberg等38求解了声波在各向同性固体介质中传播的非线性波动方程，得到含有质点位移的波动方程解。文献39-40中使用高次谐波检测技术，对纯铝进行非线性超声检测并发现高次谐波滋生现象。此后美国国家物理学研究中心Breazeale等41-42使用非线性超声表征单晶铝和单晶铜的三阶弹性常数，并以三阶弹性常数作为材料缺陷的评价标准，由此开创了非线性超声固体缺陷检测的先河。国内许多学者也对非线性超声检测技术展开了深入研究。文献43-46中应用非线性超声检测技术对不同疲劳循环周期的材料力学性能进行检测，均发现二次谐波幅值与基波幅值平方之间存在良好的线性关系这一特性，说明高次谐波法对材料早期损伤有很好的检测效果。在材料疲劳损伤检测方面，疲劳、位错等力学性能的退化与非线性超声谐波信号的产生具有较强的关联性。Buck等47-48最早提出疲劳损伤是谐波产生的原因之一。南京大学声学研究所徐从元等46采用高次谐波法测量不同疲劳程度的LY-12铝合金棒的非线性系数，同时还测量了声波传播过程中的声衰减，实验结果表明非线性超声比线性超声对材料的疲劳损伤程度更为敏感。Zhang等49研究了在不同应力加载情况下304不锈钢疲劳损伤评价，根据实验数据绘制归一化非线性系数随应力加载次数变化图，发现归一化非线性系数随着应力加载次数的8472022 年声学技术增加先增加后减小的变化趋势。由于不同种类材料的早期疲劳损伤形式不同，许多学者在不同材料中使用高次谐波法做了大量研究实验，例如在铝合金、镍基高强合金、碳钢、不锈钢、钛合金、铬镍铁合金、单晶铜等材料进行疲劳损伤的检测和评价，实验数据表明：随着材料所受疲劳周期的增加和塑性变形的累积，非线性超声系数也随着变大。由此说明高次谐波法在金属材料早期疲劳损伤检测中占据重要地位。在材料塑性变形检测方面，Jhang等50对不同类型的结构钢SS41和SS45施加不同的拉伸应力，使用高次谐波法测量试件在不同塑性变形状态下的高次谐波幅值，实验结果发现随着拉伸载荷的不断增加，仅当拉伸应力大于材料屈服强度后，非线性系数和二次谐波幅值A2的增长趋势明显。Herrman等51利用非线性表面波对镍基合金中的塑性损伤进行检测，实验数据表明在金属材料塑性变形初期，非线性系数增长速率较快，当塑性变形达到材料临界程度后，非线性系数增长速率降低。在材料蠕变检测方面，当材料发生蠕变时内部会形成较多的空隙、析出物和位错，这是材料产生非线性的主要原因之一，因此高次谐波法广泛应用在材料蠕变损伤检测。文献52-53使用高振幅声波检测连续或间断蠕变下纯铜的二次、三次谐波幅值，实验结果表明三次谐波幅值对材料蠕变状态更为敏感。实际上材料的热老化会对其微观结构产生显著影响，例如析出物、空穴以及空隙，导致材料的非线性系数发生改变。项延训54使用归一化非线性参数来表征HP40Nb合金钢材料在高温环境下的损伤状况，同时配合扫描电镜观察材料微观损伤。实验结果表明归一化非线性参数随高温加载时间呈现出明显的上升-平稳-下降趋势，由此说明材料在高温损伤早期阶段不断析出第二相，是引起材料非线性提高的主要原因。在界面力学性能检测方面，中北大学江念等35使用高次谐波法检测含不同比例的黏结剂(环氧树脂)材料结合面性能，实验结果发现黏结剂配比低的试件，非线性系数较低；黏结剂配比较高的试件，非线性系数较高，因此可以把非线性系数作为评价材料界面黏结质量的重要依据。安志武等37研究了垂直入射的纵波与横波在黏结界面处的非线性边界条件，并建立了非线性界面弹簧模型。实验结果发现当钢铝楔形黏结界面厚度产生微小变动时，会导致二次谐波幅值产生较大变化，论证了弹簧模型在材料界面退化中的可靠性。苑博55使用高次谐波法研究了6061铝合金在循环高温和低温环境作用下，结合面改性丙烯酸胶酯的力学性能退化过程，同时建立了相应的物理模型。实验论证了随着高温循环次数的不断增加(大于120次)，非线性系数也迅速增大。同时也论证了界面胶体性能退化机制，发现高温下胶层的高阶弹性系数B变化是非线性系数变化的主要原因。高次谐波法不仅可以通过高次谐波幅值直接反映出固体介质的非线性，而且对材料结构微观