U71Mn鋼焊接接頭疲勞損傷的非線性超聲檢測(cè).pdf

1、焊接作為常用的連接手段，廣泛應(yīng)用于航空、高速列車、橋梁建設(shè)以及汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域中。焊接質(zhì)量?jī)?yōu)異的接頭在承受交變載荷時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，危及焊接結(jié)構(gòu)的使用。目前對(duì)焊接接頭的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)需要通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)，不能直接檢測(cè)材料內(nèi)部的疲勞損傷。與常規(guī)疲勞預(yù)測(cè)方法相比，非線性超聲檢測(cè)技術(shù)使用相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠直觀地表征材料中的疲勞損傷。但是現(xiàn)階段焊接接頭的非線性超聲機(jī)理研究與結(jié)構(gòu)疲勞損傷檢測(cè)的研究還處于起步階段，實(shí)際應(yīng)用中缺乏完整的疲勞

2、壽命預(yù)測(cè)模型，特別是裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的非線性超聲響應(yīng)模型，目前還需要進(jìn)一步的完善。因此，焊接接頭疲勞損傷區(qū)域中非線性超聲響應(yīng)特征的提取及相關(guān)研究，已成為目前研究人員重點(diǎn)關(guān)注的課題。
　　本文基于固體中超聲波波動(dòng)理論，以U71Mn鋼為試驗(yàn)材料，推導(dǎo)出沿立方晶體內(nèi)部不同方向傳播的超聲波波動(dòng)方程，選取了非線性檢測(cè)的波型，獲得了檢測(cè)中所使用的非線性系數(shù)的表達(dá)式；同時(shí)推導(dǎo)出非線性系數(shù)與材料損傷之間的關(guān)系，為非線性超聲檢測(cè)技術(shù)用于疲勞損傷表征提

3、供了理論依據(jù)。
　　基于位錯(cuò)理論下?lián)p傷與非線性系數(shù)之間的關(guān)系，利用有限振幅超聲波穿透單個(gè)或多個(gè)位錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，建立了位錯(cuò)組織與超聲波之間的非線性效應(yīng)模型。結(jié)合TEM觀察的疲勞區(qū)域結(jié)構(gòu)組織形貌，對(duì)U71Mn鋼試件低頻加載后非線性系數(shù)的變化進(jìn)行了理論解釋，研究表明，疲勞初期的損傷與非線性系數(shù)呈單調(diào)關(guān)系，非線性系數(shù)增加的主要原因是疲勞區(qū)域中位錯(cuò)弦的拉長(zhǎng)與位錯(cuò)密度的上升。
　　探討了有限振幅超聲波與裂紋之間的相互作用，解釋了

4、二次諧波的產(chǎn)生原理。通過(guò)改變激勵(lì)信號(hào)幅值或作用于裂紋界面的加載力，研究了裂紋的不同閉合狀態(tài)對(duì)非線性系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，有限振幅超聲波信號(hào)幅值越高，其在裂紋界面由拉/壓效應(yīng)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)越強(qiáng)；裂紋的閉合面積越大，有限振幅超聲波通過(guò)后產(chǎn)生的非線性效應(yīng)越強(qiáng)；而宏觀裂紋的出現(xiàn)會(huì)降低超聲波的透射率，將會(huì)減弱非線性效應(yīng)。結(jié)合以上三點(diǎn)分析，疲勞中后期產(chǎn)生的損傷與非線性系數(shù)將呈非單調(diào)關(guān)系；第一階段非線性系數(shù)增加主要是由于微裂紋的萌生與生長(zhǎng)，而第

5、二階段非線性系數(shù)下降的原因是宏觀裂紋的形成。
　　非線性檢測(cè)中有限振幅波以不同入射角度通過(guò)疲勞區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生的非線性效應(yīng)也將不同。本文采用端面入射法、直入射法與斜入射法提取了承受疲勞載荷U71Mn鋼試件中的非線性系數(shù)。研究表明，斜入射法既能保證聲波與疲勞損傷區(qū)的相互作用，又對(duì)不同的焊接接頭有較好的適應(yīng)性，可以獲得較好的非線性超聲測(cè)試結(jié)果。
　　通過(guò)透射電鏡與金相顯微鏡觀察不同低頻疲勞加載次數(shù)U71Mn鋼母材試件中的組織形貌，將

6、材料的損傷與提取的非線性系數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立了疲勞加載次數(shù)與非線性系數(shù)的關(guān)系曲線（β~N曲線）。發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)弦拉長(zhǎng)與位錯(cuò)密度增加造成了非線性系數(shù)的升高（5萬(wàn)次前TEM形貌）；微裂紋的出現(xiàn)使非線性系數(shù)進(jìn)一步升高（5-11萬(wàn)次間金相照片）；而宏觀裂紋的擴(kuò)展將引起非線性系數(shù)下降（11萬(wàn)次加載后金相照片）。
　　利用HHT技術(shù)處理了穿透焊接接頭試件疲勞區(qū)域的超聲信號(hào)，結(jié)合位錯(cuò)與裂紋的理論分析，將β~N曲線劃分為三個(gè)階段。第Ⅰ階段非線性系數(shù)呈緩慢

7、線性上升趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)疲勞初期應(yīng)力集中與位錯(cuò)增殖期（6萬(wàn)次前）；第Ⅱ階段非線性系數(shù)呈快速線性上升趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)了疲勞過(guò)程中裂紋萌生（6-8萬(wàn)次）及閉合裂紋產(chǎn)生（6-11萬(wàn)次）階段；第Ⅲ階段非線性系數(shù)呈快速下降趨勢(shì)（11萬(wàn)次后），對(duì)應(yīng)了疲勞過(guò)程中的宏觀裂紋產(chǎn)生及生長(zhǎng)階段。通過(guò)二次加載的方式，利用實(shí)驗(yàn)獲得的β~N曲線預(yù)測(cè)了U71Mn鋼焊接接頭試件的剩余疲勞壽命，平均預(yù)測(cè)誤差不超過(guò)20％，最低預(yù)測(cè)誤差可達(dá)到4.63%。以上研究結(jié)果表明，利用β~N曲線