文摘

本文描述了一种方法使用非接触式电磁声学方法测量材料的可塑性。谐波发生非累积的基本纵波的标本研究基于数值方法,和对谐波发生拉伸破坏显示高于从几何因子;更严重的损害增加二次谐波的振幅。这两个实验装置(非线性压电法和非线性电磁声法)是用来评估的相对拉伸破坏的非线性参数5铝合金标本沿厚度方向,和拟议的技术与传统的非线性压电方法同样有效。这一结果表明,超声非线性参数可以表示拉伸损伤与超声非线性参数的非接触电磁声方法。

1。介绍

现在的超声波在工程结构中的应用是一个至关重要的方法在无损检测(NDT)和结构健康监测(SHM)。与图像处理的最新进展和数学和计算机建模、更敏感和经济方面的材料和结构已成为可能相比其他检验技术(1]。传统的超声检测方法是基于线性理论和取决于测量特定的参数,包括大小、方向、裂缝的位置,声速、衰减,传输和反射的超声波来检测损伤(2]。然而,传统的线性超声方法检测裂缝或特性基于超声波的波长。他们敏感的微观结构特征数量级大于波长,但是线性超声检测不敏感的早期退化和微裂纹的材料没有衍射和衰减效果。因此,早期损伤的检测成为一个问题,需要先进的超声波检测变得强烈。此外,超声检测方法的开发是一项具有挑战性的任务,应该有几个至关重要的应用功能,如在线评估、状态维修,健身决心为服务和剩余使用时间,减少成本和劳动,需要基线,并要求环境数据补偿方法。

非线性超声方法有一个强大的能力描述材料的微观结构特征。更高的谐波发生的基本物理机制,分谐波生成,共振频率的改变,介绍了混合频率响应microdamage应用评价。这些影响与测量声学非线性量化参数(ANP)是由一个正弦波之间的相互作用和微观结构特征像微裂隙,沉淀,蠕变、疲劳、和可塑性3- - - - - -8(即。,features at the micron scale and below), and the ANP is a powerful indicator of the material state.

目前,许多研究者应用非线性超声技术来评估损伤在不同金属合金等早期疲劳损伤Ti-6Al-4V标本(9),热处理Cr-Mo-V钢(10),钢在ASTM A710硬化(11镍基高温合金),样品单调和疲劳载荷作用下(12),而在1100 - h16 AL合金塑性变形13]。指出,ANP基于基本和第二次谐波明显变化的损伤。

最常用的非线性波技术使用到传输批量波,这是应用领域以来获得双方的标本是必需的。纵向波的优势,而横波(14),将能量转移到二次谐波;横波能量转移到第三次谐波。因此,它更可能对非线性纵波评估材料内部损伤。此外,非线性瑞利面波和羊肉广泛用于表示材料表面或积分损害较小的衍射和衰减效应和长途旅行。

然而,大多数应用非线性超声检测材料特性和存在的微小缺陷的压电超声法和液体耦合介质的非线性效率高。压电超声波方法不适合测试在极端条件下和粗略的测试表面,以及耦合介质影响被测样品的扫描效率。因此,非接触超声检测方法有更好的应用前景。塞巴斯蒂安等人现在无触点air-coupled非线性瑞利面波的超声技术测量的相对非线性参数两个铝合金标本AL2024-T351和AL 7075 - t651 [15),但超声波转换效率与声阻抗失配是不够的。刘等人的研究利用非线性激光超声方法进行疲劳裂纹测量(16]。然而,激光超声方法受到光学反射率的变化,是唯一可行的标本与高度反光的表面。

电磁声换能器(EMAT)是一种传感器,可以激发和接收超声波没有偶联剂。EMAT可以生成和测量所需的弹性波模式的基础上,非接触式耦合机制。各种传播模式可以用来满足广泛的测量需求,像SH模式只可用EMAT技巧;这是其中的一个优势air-coupled超声波技术和激光超声技术(17,18]。圆柱的轴向剪切波Cr-Mo-V标本被发现能够疲劳和蠕变的非线性测量magnetostriction-type EMAT兴奋(19,20.]。科布等人提出一个声学非线性疲劳损伤积累的方法,采用瑞利波产生EMAT和电磁声共振(21,22]。脉冲电流发生器的优化(23,24],EMAT成功激励振动振幅的材料足够高的引进更高的谐波,和EMAT有潜力研究非线性测量隔离材料的非线性。

当前研究的目的是探索的可行性无触点,电磁声技术评估声学非线性参数用非线性纵波。部分2提出了基于Murnaghan模型非线性力学预赛。部分3介绍了从数值模拟获得的非线性特征。两种非线性超声方法进行比较和分析4和部分5,分别。最后,结论部分6。

2。原则

电磁声耦合过程是弹性的原则应对周期性表面强调,来自洛伦兹力。交流电驱动频率(f> 20 kHz)应用于螺旋线圈的电磁声换能器。曲流下的动态磁场线圈将诱导交流电(在电磁皮肤深度)。一般来说,静态磁场和动态磁场将为洛伦兹力发生在皮肤深度。一般来说,皮肤深度远小于声波波长。因此,洛伦兹力发生在皮肤深度大约可以视为剪切应力对表面的标本,以及地表的压力可以被视为一个激励源的产生一系列的超声波模式。换句话说,声学领域(机械位移)产生的洛伦兹表面压力。

我们考虑非线性超声技术在接收到的信号并不是在励磁电流的频率,和金属材料被视为弱非线性弹性因为接收到的信号的幅值相对于激发更高的谐波很小,然后可以生成谐波尤其是在激励频率的两倍。

从连续介质力学的拉格朗日公式是利用使用Green-Lagrange应变张量E随着第一个Piola-Kirchhoff应力张量T₁和第二Piola-Kirchhoff应力张量T₂。E位移矢量相关吗u为简单起见,位移矢量的梯度H。和上面的数量之间存在以下关系25,26]。 线性应变在哪里吗E^l,这是有关线性超声的作用。

比较(1)和(2),二阶项的存在H^TH非线性应力-应变的主要原因,包括几何非线性和材料非线性。

更高的谐波发生的应力-应变关系的超弹性的材料从Murnaghan模型的非线性控制方程,获得非谐振动的定性描述,和应变能函数W(E)是 在哪里l,米,nMurnaghan常量,λ和μ跛的常数,和tr()和依据()表示跟踪和行列式,分别将张量。

第一个Piola-Kirchhoff应力张量和第二个Piola-Kirchhoff应力张量得到使用 在哪里我是二阶张量身份。和T₁可以分解为线性和非线性组件。然后参考配置的运动方程可以写成 在哪里ρ₀质量密度, ,b是洛伦兹力磁场的作用(包括静态磁场B_年代和交变磁场B_d)和涡流。然后应用于弹性动态计算的洛伦兹力方程作为一个身体负荷。

声波通过材料边界并创建动态电磁场在导电材料暴露于一个稳定的磁场,然后收到了EMAT能被探测到。逆效应,适用于声波部队带电粒子移动的帮助下永磁磁场的偏见。声场动态电场诱导的标本和接收电压方程E可以写成

3所示。数值模拟

在这一部分中,从数值模拟结果得到使用COMSOL执行多重物理量4.3 b,商业有限元软件。的示意图如图2 d模型1。洛伦兹力生成过程使用的建模交流/直流和磁场模块,和传播过程的建模使用结构力学模块。

电磁声换能器由一个线圈提供一个动态电流和u型磁铁提供水平的静态磁场。在非铁磁性的材料,超声波产生的洛伦兹力。洛伦兹力是相互作用的磁通密度和涡流。因此,电磁场和机械领域被洛伦兹力的传导耦合在一起。

永磁材料特性是钕铁硼永磁的剩磁1.4 T。水平的静态磁场线圈沿平行x方向;也有x方向洛伦兹力,通常远小于y方向洛伦兹力。螺旋线圈由35电线的直径0.5毫米,便在一起。发射线圈之间的距离和测试铝标本为0.5毫米。激动人心的线圈是携带的电流信号f= 500千赫。转导的厚度面积5倍趋肤深度,和低反射边界是用来减少反射的远程接口。

超声波产生的传导。使用Murnaghan模型的模拟进行了铝、和材料属性列在下表中1。四边形元素用于离散化磁铁和线圈与0.5毫米的最大元素大小;转导和传播区域分为三角形元素的最大元素大小0.1毫米和0.2毫米。

3.1。超声波代

由于匹配的线圈和磁铁,瑞利波(R-Waves)沿着水面,同时,纵向波(长波)和垂直剪切波(s)旅行到标本。由于s波不能量转移到二次谐波(27),我们调查的非线性作用长波和长波的贡献的基础上x -洛伦兹力方向。

的x分的位移用位移”u”,y分用位移”v”,长波方向的振动与长波旅行的方向保持一致。所以位移”v”是只考虑。图2显示了试样的几何尺寸(100毫米×180毫米)和内超声波的传播x- - -y坐标表示横向位移”v”观点的传播在两个传输周期(从波模式t₀来t₀+ 2 T)。R-Waves速度v_R,s波速度v_年代,长波速度v_l可以计算之间的飞行时间和距离两个位置:v_R= 2915米/秒,v_年代= 3122 m / sv_l= 6198 m / s。因此,随着传播时间的增加,分离各种超声波是更清楚的。

3.2。非线性超声传播

在典型EMAT配置订单的频率从几数百千赫到几兆赫,洛伦兹力的振幅取决于静态磁场的特点,励磁电流,螺旋线圈的建设,发射。为了消除二次谐波频率的贡献由于交变洛伦兹力,身体力的加载是采用静态的洛伦兹力b_L,年代在数值模型中。因此,超声波的结果在基本频率。

然后我们讨论的材料和几何非线性的二次谐波发生标本。位移”v“长波幅度应该达到1E−8 m,励磁电流条件下选择150;一些非线性的影响不容易以较低的振幅可解释的。结果展示在表3非线性机制2。

图3说明了标准化的时域信号获得位移”v“在位置(10毫米,−100毫米)。这表明信号重叠近3例和区别是几乎不可见。所以长波的速度保持一致。但在频域中,见对数归一化处理的快速傅里叶变换(FFT)方法在图中,非线性明显的非线性零频和二次谐波分量的存在”v“位移”N”和“G”的案例。和产生的二次谐波的振幅在“N”的情况下是几倍产生的“G”的情况。这表明,二次谐波发生由材料非线性与几何非线性。相同的解释适应获得零频分量的主要机制是由几何非线性,而“L”情况下只显示基本频率没有任何频率成分。

位移”v“获得职位(10−93.8毫米),(10−100毫米),和(10−106.2毫米),每个传播距离的长度是一个根本的长波波长。图4显示了规范化的时域信号FFT和对数归一化处理。根据理论预测,二次谐波的振幅与传播距离增加。

然后我们讨论了扩展的影响的谐波发生高阶弹性常数随物质损失的程度。模拟“N”的情况下使用了三个不同的高阶弹性常数通过扩展Murnaghan常数的因素1、2和4。图5显示了规范化的时域信号FFT和对数归一化处理。如图所示,零频和二次谐波分量增加的因素。从另一个角度来看,物质损失的程度增加而非线性效应。

在下面的例子中,我们提出二次谐波发生的结果从长波在500 kHz, 600 kHz, 800 kHz的“N”的情况。如图6,同样存在各种零频率和二次谐波分量的频率,和归一化零频率和二次谐波分量的振幅保持不变。

4所示。实验部分

4.1。样品制备

拉伸铝合金制成的标本6061人捏造的塑性变形进行研究。标本被拉伸加载不同的弹塑性应变控制下的应变水平,如表所示3。其中,一个₀未损坏的标本,是吗₁是一个标本产生的弹性拉伸区域,一个₂是一个标本在弹塑性临界拉伸区域,产生一个吗₃是一个标本制作的塑料拉伸区域,和一个吗₄是一个标本骨折。非接触非线性特征卸载这些标本后进行评估。

非线性纵波监控不同位置沿长度方向的拉伸试样为每个样本。图7显示测量沿厚度方向的位置;每个职位都是等间距的。标本进行单轴拉伸试验。变形是材料提供了一个具有非线性各向同性硬化弹塑性行为。受到如此大的变形时,试样经历显著的塑性变形和柱头中央截面,因此非线性超声波反应在每个位置是各种装载情况。

4.2。非线性超声测量策略

图8给出了非线性电磁声测量。拉伸试样的非线性响应铝合金很兴奋通过使用RITEC提前ram - 5000高功率系统(美国国际扶轮RITEC Inc .)、沃里克),和高振幅正弦猝发音输入一些稳定的单一频率的周期数。一双EMAT传感器被放置在双侧的标本(通过厚度),如图9。EMAT换能器主要由线圈和永磁体。用牙签风直径0.1毫米的铜线;每一次移动都是平行的如此紧密,一个大型螺旋线圈半径。EMAT的螺旋形状线圈是通过铺设环氧树脂粘合键。BNC电缆连接到螺旋线圈和线圈的永磁放在顶层。大部分EMAT后促进填充绝缘聚合物。的结合型磁铁提供横向偏置磁场和螺旋线圈施加高频电流激发,因此,电磁力主要是在垂直方向上,粒子在皮肤深度将受到电磁力的影响和产生高垂直振动频率。高垂直振动产生超声波大部分波浪传播的标本。传感器之一作为发射机发送批量波(纵波)主要在标本,和其他传感器中作为接收者基于电磁感应的原理。 Hence, the longitudinal wave propagates along the thickness direction of the specimen, and the received longitudinal wave would contain nonlinear information through the propagation path.

然而,由于这种非接触测量的方法EMAT的转导效率较低,为了避免这种麻烦,需要额外的设备来维持非接触方法通过阻抗匹配和高通滤波器。励磁电流没有窗函数以提高的激动人心的能量从高功率系统EMAT传感器。与此同时,令人兴奋的频率应该考虑的设计EMAT频谱响应曲线如图10。这两个EMAT传感器有相同的设计尺寸;因此,令人兴奋的频率必须设置2.2 MHz,和基频2.2 MHz,谐波频率4.4 MHz频谱峰值可以收到。

5。分析

非线性纵波测量沿厚度方向的Al 6061板执行EMAT和压电设置,声场影响附近,没有观察到在这个实验装置适合选择的兴奋状态。

5.1。非线性静态测量

非线性参数β表明一个线性二次谐波振幅之间的关系一个₂和基本的振幅的平方(一个₁²)。由于测量的基本收到超声波传感器和二次谐波响应的几种电压激励条款,和β可以由microplasticity预测模型的函数的拉应力几乎没有影响不同的激励频率7),所以5 MHz兴奋的压电传感器和一个10 MHz收到压电传感器通过厚度方向上实现了生成的纵波。

图11显示了一个变异幅度一个₂与一个₁²位置3的标本₀;黑点是实验数据点在10 ~ 50水平令人兴奋的电压,和一个线性拟合线一个₂与一个₁²对不同驱动电压显然获得,这意味着为不同电压非线性参数保持不变。这个线性拟合直线的斜率是非线性参数的值β_p0,β_p0主要包括材料非线性β_p0和接触非线性β_c0。

考虑压电传感器频率响应曲线的波动(5 MHz的频率响应和10 MHz分不相同)和非均匀单元的影响。因此,规范化非线性系数β”_p0(非线性参数之间的比例测量拉伸损伤标本β_p0),也就是说,β”_p0=β_p/β_p0。

5.2。而非线性EMAT测量

在这个EMAT测量研究中,EMAT的转导效率被认为是越低,如图12。EMAT能源转换效率较低,对噪声十分敏感。噪声干扰是主要由连续干扰噪声,阵发性干扰噪声,和电磁噪声产生的操作测试设备和交变电磁场的电磁超声换能器的有限的空间体积。为了实现有效的超声回波信号的识别,需要对频域信号收到40分贝衰减低频阶段和60 dB放大高频阶段,可以清楚地发现根本的贡献和二次谐波波。与此同时,频域信号充斥着噪声频谱。获得根本和二次谐波的振幅波组件,Daubechies小波函数和第三小波包分解水平采用降噪如图12。为了与压电传感器的测量,和非线性参数β_E0应由非接触测量EMAT归一化处理,归一化非线性系数β”_E0=β_E/β_E0。

图13显示了相对的比较非线性系数的两种方法。用相同的加载、非线性系数的变化趋势相对保持不变。

与弹性拉伸加载(F_马克斯< 47.71 kN),相对非线性系数几乎保持不变;因此,弹性常数变化很少,增加迅速,当拉伸加载超过47.71 kN的位置2,3,4。塑性变形开始存在于这些位置;与此同时,相对非线性系数变化很小位置1和5。它可以发现塑性变形沿中心对称分布标本位置(位置3)通过拉伸加载,基于金属颈缩效应,塑性变形是最显著的位置3。当拉伸加载超过53.232 kN,相对非线性系数迅速下降,出现更多的不连续区域;同时,塑性变形在2和4的位置仍在硬化阶段和相对非线性系数仍在增加。

可以看出EMAT超声波测量比压电陶瓷超声测量。也就是说,β”_E0>β'_p0,相比之下,什么是两个相对的非线性系数,这是接触非线性(耦合剂的影响和粗糙表面),主要导致相对减少非线性系数。

结果还表明,塑料在塑性变形非线性的变化可以使用提出的非接触超声波测量方法,非线性系数和相对衡量EMAT超声检测具有广泛的应用前景在极端环境下塑性变形的变化趋势。

6。结论

在这篇文章中,非线性纵波的拉伸破坏行为进行调查。从数值计算的角度来看,模拟EMAT转导和超声波传播进行了COMSOL多重物理量使用Murnaghan 4.3 b超弹性模型,从最基本的纵波谐波发生,而时域信号显示很小的差异。的贡献材料非线性、几何非线性损伤下套管的非线性,传播距离下套管的非线性谐波发生进行了探讨。随着积累物质损失通常是推断的非线性系数,进而取决于Murnaghan常数和再传播距离越高,令人兴奋的频率不是推断从非线性系数。

从实验的角度来看,这项研究表明非接触EMAT方法的可行性和鲁棒性的非线性测量纵波;因此,试样的表面状况相对不重要。实验设置提供了一个较低的输出信号的信噪比;与此同时,小波去噪方法可以提高信噪比和提取从测量频率信号非线性信息。

这个研究的结果表明,非接触,EMAT检测方法提供了势场适用性的原位测量相对非线性参数在网络结构。需要做进一步的工作来识别EMAT铁磁结构的疲劳损伤的方法基于磁致伸缩机制。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了江西省自然科学基金(批准号20171 bab216035)和江西省教育部科学基金会“塑料损伤检测方法在金属组件基于电磁传导”。(批准号GJJ170409)。