腐蚀疲劳损伤非线性表面波检测技术研究

发布时间：2020-08-12 03:58

【摘要】：金属材料广泛应用于海洋工程当中,其应用常见于船舶和海洋石油开采等行业。金属材料构件在长期服役的过程中,遭受着复杂腐蚀环境的腐蚀和大风大浪的冲击,腐蚀疲劳损伤是其主要的损伤形式之一,严重影响了金属材料构件及设备的耐久性和安全性。然而,传统的超声检测技术根本无法实现金属材料腐蚀疲劳损伤的检测,而非线性Rayleigh表面波可以检测金属材料腐蚀疲劳损伤中的非线性特征参数的变化情况。因此采用非线性Rayleigh表面波检测技术研究金属材料腐蚀疲劳损伤程度具有重要的理论价值和工程应用价值。本文介绍了非线性超声检测的基本原理,搭建了金属材料样品腐蚀疲劳损伤和非线性超声检测系统的实验平台,研究了Rayleigh表面波的检测方法,分析了实验系统、激励电信号的周期数、Rayleigh表面波的传播距离和换能器的频谱特性对实验结果的影响。基于Rayleigh表面波的检测方法,检测到了Rayleigh表面波的基波幅值和二次谐波幅值,计算出了超声非线性系数,得到了在不同的循环拉伸疲劳周数下超声非线性系数的变化情况,进而实现了金属材料样品腐蚀疲劳损伤的非线性超声检测。主要内容包括:(1)研究了不同的腐蚀环境对金属材料腐蚀疲劳损伤的影响;(2)研究了不同的加载频率对金属材料腐蚀疲劳损伤的影响;(3)研究了不同的应力比对金属材料腐蚀疲劳损伤的影响;(4)分析了金属材料的微观结构。实验结果表明:不同的腐蚀环境对金属材料腐蚀疲劳损伤的影响比较大;不同的加载频率对金属材料腐蚀疲劳损伤的影响很小;不同的应力比对金属材料腐蚀疲劳损伤的影响也比较大;超声非线性系数、金属材料的微观结构和宏观力学性能三者之间存在一定的关系,超声非线性系数可以作为金属材料的微观结构和宏观力学性能的中间,用来表征金属材料腐蚀疲劳损伤的过程,为采用非线性超声检测金属材料腐蚀疲劳损伤提供了一定的依据。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115.28
【图文】：

缺陷尺寸,材料,介质,超声应用

中北大学学位论文超声应用于表征材料中。而且这些效应在受损材料中是很明显的，但在完好无损几乎测量不出来，因此，非线性超声检测技术得到了广泛的应用。非线性超声检是指有限振幅的超声波在介质中传播，介质中遇到微缺陷和不连续的界面与其相产生多种非线性超声响应现象，其对材料微观结构变化很敏感。传统超声测技术声波在介质中的传播特性，对材料微观结的变化不敏感[1]。如图 1.1 所示是检测缺陷尺寸对应的各种方法。

超声波,高次谐波,固体材料,微裂

频率也发生了变化，出现了二次及以上的高次谐波成分。产生高次谐波的现象如图2.1 所示。(a) 无高次谐波产生(b) 有高次谐波产生图 2.1 产生高次谐波的现象如图 2.1 所示，超声波在固体材料中传播时，单一频率的超声波与其材料中的微裂纹、位错和滑移带等缺陷相互作用，导致超声波形会发生非线性失真和高次谐波的产生等现象。Rayleigh 表面波是由纵波和横波在传播速度相等的条件下叠加而成的波，其具有衰减程度比较小、传播距离比较远、能量主要集中在构件表面和可以在光滑曲面上传播却不发生反射等优点，能够实现构件表面和次表面缺陷的检测，其测量过程简便且容易实现[3]。Rayleigh 表面波的检测原理如图 2.2 所示。

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图 2.2 Rayleigh 表面波检测原理，在半空间自由表面中，Rayleigh 表面波沿其 x质的里面。图 2.3 半空间自由表面及其坐标系位移势函数为： 1=-Rpzi k x tRAi e ek

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