2.1.4非线性系数 9

2.1.5傅里叶变换的相关理论 11

2.1.6激励信号的选择 12

2.1.7加窗函数的的选择 13

2.2金属或结构力学性能退化的相关理论 13

第三章非线性超声检测系统及其相关实验 14

3.1非线性超声检测系统及信号处理 14

3.2实验试样的制备 16

3.3测试过程 17

第四章测试结果及分析 20

4.1试样拉伸应力对非线性超声系数的影响 20

4.2试样疲劳周次对非线性超声系数的影响 20

4.3检测频率对非线性超声系数的影响 22

4.4非线性系数与探头距离的关系 22

第五章结论与展望 23

5.1结论 23

5.2展望 24

致谢 25

参考文献 26

第一章绪论

1.1材料或结构力学性能退化检测的意义和检测方法

1.1.1材料或结构力学性能退化检测的意义

对于机械设备和工程结构来说，都会有承受载荷的金属结构材料，它们处在循环载荷的作用下，金属零部件会产生力学性能退化，这种力学性能退化是在不断损伤积累的过程中留下的。在退化过程中，金属材料首先会出现微观组织结构的差异，接下来会出现疲劳微裂纹，裂纹不断扩展最后导致材料失效，整体来说，金属材料的寿命一般分成一下几个阶段：1.早期性能退化；2.损伤的开始与积累；3.断裂失效。在多种载荷和环境因素的影响作用下，这几个阶段的具体区分是不明确的。但已有研究证实，对受循环载荷的金属结构材料来说，从结构材料内部位错群的大量产生到驻留滑移带的形成，再到驻留滑移带内微裂纹的成核、长大，直到宏观裂纹的形成（第一和第二阶段）一般占据材料整个疲劳进程的80％-90％。因此，发展材料和结构早期力学性能退化的有效检测和预报评价手段就显得十分重要[1]。

断裂一般都是突然发生的，这会导致灾难性的事故。而金属损伤是诱发金属断裂的最主要因素，为了预防此类事件的发生，预测其剩余寿命是必要的。对于预测循环加载、环境影响下的裂纹扩展直至最终破坏几个阶段，现如今已经开发了众多数据和大量模型。然而，人们在对外加载荷作用下的材料出现的性能退化的累积效应影响的相关理论却理解的少之又少。当金属受到疲劳损坏时，金属材料便会慢慢地失效，但是如果利用传统的超声检测技术，虽然可以检测金属的疲劳特征，然后对产生变形较大以及宏观裂纹可以很好的检测出来，但是当使用这种方法检测金属材料的初期的力学性能退化却很难。总体来说，各种无损检测方法对于检测的敏感缺陷都有其独特的应用领域，比如：声发射方法只是对裂纹扩展信号检测有效；电磁方法有利于对开口裂纹和应力集中进行检测；而超声表面波则会限制在近表面或表面的裂纹检测上；磁粉粒度会对磁粉检测产生影响，只能检测表面裂纹，而且裂纹必须具有一定的开口宽度；上面阐述的方法对于材料疲劳损伤和闭合裂纹检测时，均有局限性。而超声作为使用最为广泛的无损检测方法，检测分散的位错、滑移以及内部的微裂纹时，不会检测到由于声阻抗集中变化而引起的缺陷，所以超声波很难发挥作用，因为根本不会出现传播的反射和散射现象。另一方面，超声波在传播过程中会出现衰减以及声速的变化等细微的传播特性是检测不出此类损伤的。因此，受二分之一波长极限分辨力的限制的常规超声无损检测方法，不能深入到材料特性检测和评估的层次，对于损伤的检测就毫无用武之地。不过，近阶段力学声学和材料学等学科领域在快速发展，理论和实际都有所突破，在发展过程中发现金属内的微裂纹和疲劳损伤出现变化时，一定会改变金属内部非线性力学行为的。所以超声非线性检测方法的优势一览无遗，可以用在评估材料性能等方面，超声非线性检测方法能够从根本上反映出金属损伤对于超声波在金属内部运动的影响，所以用此方法来对金属早期疲劳损伤继进行评价是完全可行的。