研究背景及創新點

鋁合金板材在國防和工業等各個領域應用廣泛，而在其制備、加工以及實際服役期間，因受到拉伸載荷、交變載荷等作用，鋁材會出現諸如塑性應變和微裂紋等的早期損傷。鋁材的塑性變形并不能導致材料的彈性模量、聲速、聲衰減等材料聲屬性大尺度的變化，因此常規超聲檢測方法往往是失效的。

材料存在塑性損傷時，相關區域的應力應變呈非線性關系，從而使得傳播至該區域的超聲波產生了以二次諧波為主的高次諧波。非線性超聲檢測方法正是基于材料的這一非線性特征以實現材料微損傷檢測與性能評估。

對于材料微納尺度缺陷(位錯、微裂紋等)的檢測，常規非線性超聲檢測方法主要利用超聲體波、表面波或導波在傳播過程中遇到缺陷會產生高次諧波的非線性特性，實現對損傷的檢測。由于高次諧波具有易衰減和易受外界干擾的特性，不適于長距離傳播和檢測，各種環境因素容易引起檢測誤差和失效等問題。此外，由于電磁超聲換能效率較低，其非線性檢測效果無法滿足工程技術需求。

Lamb波在特定條件下可以產生隨著傳播距離累積的二次諧波，這一特性使得其在大尺寸結構檢測方面相比于傳統的超聲非線性檢測方法具有明顯優勢。本文提出基于二次諧波累積效應的電磁超聲Lamb波非線性檢測方法，并將其應用于鋁板的塑性損傷檢測。

課題組基于導波在固體中傳播的波動方程以及固體力學的非線性理論，推導了產生隨著傳播距離可累積的二次諧波的條件，即基波與二次諧波的相速度匹配，并且能量流不為0。通過計算Lamb波的頻散特性曲線，Lamb波S0模態500kHz的群速度為5.37mm/μs，與1MHz對應的相速度近似相等，因此本文選擇頻率為500kHz的Lamb波S0模態作為超聲激勵信號。

論文采用Murnaghan模型進行電磁超聲非線性有限元仿真分析，通過模擬不同程度的塑性損傷，觀察基波與二次諧波幅值的變化，進而研究二次諧波的累積效應。仿真結果顯示，隨著傳播距離的增加，基波幅值逐漸降低，基波的能量一部分隨著傳播距離衰減，一部分能量轉移到二次諧波；并且隨著傳播距離的增加，二次諧波幅值基本成線性增長，即該模態下產生了可累積的二次諧波；由此可知，傳播距離與相對非線性系數成線性關系，與理論分析相一致。

為了驗證仿真結果的正確性，利用電子萬能試驗機在位移控制模式下對厚度為1mm的6061鋁板進行靜態拉伸，使被測件產生塑性變形。采用非線性電磁超聲檢測系統提取接收到的直達波波包信號進行時頻域分析，研究6061鋁板中塑性損傷對電磁超聲Lamb波傳播特性的影響規律。

圖1 非線性電磁超聲檢測試驗平臺

圖2 相對非線性系數與超聲傳播距離的對應關系

結論

對比完好試件和含塑性損傷試件的實驗結果可知：

1）當超聲波傳播距離一定時，完好試件的基波幅值大于損傷試件的基波幅值，完好試件的二次諧波幅值小于損傷試件的二次諧波幅值，并且損傷試件的相對非線性系數也大于完好試件的相對非線性系數，即試件的非線性增加，從而也證明了塑性損傷使得基波的能量部分轉移到二次諧波；

2）對于損傷試件而言，隨著傳播距離的增加，基波幅值減小，二次諧波幅值增大，相對非線性系數增加，即在該實驗條件下，系統產生了可累積的二次諧波，并且傳播距離與二階相對非線性系數基本成線性增加的關系，因此累積效應適用于鋁材塑性損傷區域長度的定量檢測。

團隊介紹

張闖教授

張闖，博士，教授，博士生導師，河北省高校優秀青年基金獲得者，中國電工技術學會青工委委員，現任省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室副主任、河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室副主任。主要從事電磁無損檢測與評估、工程電磁場與新技術等方面的研究。

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