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第 37 卷 第 6 期 吕文瀚等： 金属材料疲劳损伤检测的非线性声学方法 879

从上述曲线中看到，未进行疲劳试验之前 (加 本身、换能器等实验系统非线性，幅值很小。而相
载周期为 0) 的试样测试结果中，含有比较微弱的谐 同激励电压下，经过疲劳扩展出微裂纹的试样接收
波信号，其主要来源于实验系统、换能器以及材料本 信号的频谱中，含有比较明显的谐波成分，相当于
身的非线性。而疲劳周期的增加，相当于第 2.1节位 第 2.2 节微裂纹模型中，由于超声波作用力与裂纹
错模型中位错密度的增加，从公式 (7) 可以看到，位 结合面动态力的影响，使得裂纹界面间距发生变化，
错密度的增加导致材料中应力 -应变关系非线性程 并且公式(18) 中G(y)-y 通常为非线性的，从而导致
度的加深，在声学实验中表现为声波信号畸变明显， 在反射和透射波中 (公式 (22)、(23)) 存在明显的谐
谐波成分增加。从实验结果来看，疲劳周期增加导 波信号。但其结果不同于前期疲劳损伤的实验结果：
致试样的疲劳程度加深，由于疲劳所引起的非线性 谐波信号能量弱成分少，其频谱信号中不仅谐波成
谐波信号也明显增加，即二者之间呈现递增关系，与 分更加丰富，而且能量也较强，因此可根据试样接收
理论模型符合。因此，可根据试样接收信号中谐波 信号中谐波的产生情况来判断试样中的疲劳损伤
信号的激发情况来评估试样前期疲劳损伤的程度。 类型。
其增加趋势在疲劳前期较快而后期趋于缓慢，并且 由于非线性声学的检测需要激励出大振幅的
激励电压越大非线性效应也越明显。继续疲劳加载 声波，因此激励电压也是检测微缺陷中一个比较关
直至加载周期为 29500 左右时，试样开始萌生微裂 键的因素。图10 为不同激励电压下，有裂纹和无裂
纹，进一步加载微裂纹开始逐渐扩展。 纹试样接收信号的频谱情况。
可以看到，对于无裂纹试样，如图 10(a) 所示，
3.3 非 线 性 声 学 方 法 对 铝 中 疲 劳 后 期 微 裂 纹
的检测
250
运用上述疲劳加载方法，对铝试样持续加载进 200 V
175 V
200
行微裂纹扩展实验，并用非线性声学的方法对产生 150 V
125 V
的疲劳微裂纹进行检测，同时与相同条件下、相同 150 100 V
75 V
材料和规格的无裂纹的试块检测结果进行比较，以 ࣨए (arb. unit) 50 V
确保实验中产生的非线性与疲劳裂纹有关，并将实 100
验结果与疲劳周期数为 3000 的前期疲劳损伤检测 50
结果对比分析。相同激励电压下 (200 V)，其接收信
0
号频谱如图9所示。 0 1 2 3 4 5 6 7 8
ᮠဋ/MHz
由图 9 可以看到，无裂纹试块接收信号的频谱
(a) ௄ᜈጯតڱ
中谐波成分很少，少量的谐波成分主要来源于材料
8
200 V
1.0 7
175 V
150 V
0.8 ௄૯͞តڱ 6 125 V
100 V
ҒరႵҷ૯͞ ࣨए (arb. unit) 5 4 75 V
ॆʷӑࣨए 0.6 3
Ցరॲᜈጯ
50 V
0.4
2
0.2 1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 ᮠဋ/MHz
ᮠဋ/MHz (b) దᜈጯតڱ
图 9 无裂纹试块、前期疲劳损伤试块与后期微裂纹 图 10 不同激励电压下，无裂纹试块与有裂纹试块
试块接收信号的频谱 接收信号的频谱
Fig. 9 The received signals’ spectrum of sample Fig. 10 The received signals’ spectrum of sam-
without micro-crack, with early fatigue and with ple without micro-crack and with micro-crack at
micro-cracks different exciting volts