高速铁路钢轨疲劳过程的超声非线性系数表征

在U71Mn钢轨截面上不同位置取9个带有燕尾状缺口的试件进行三点弯曲疲劳试验和超声波非线性检测,提取试件在不同疲劳加载循环次数下超声波的基波幅值和二次谐波幅值,据此计算钢轨疲劳过程的超声非线性系数,并用扫描电镜和金相显微镜观察对应试件表面的微观形貌,研究超声非线性系数与钢轨疲劳裂纹萌生和扩展的关系。结果表明:在钢轨疲劳过程中,超声非线性系数呈规律性变化;在试件疲劳的初期,超声非线性系数缓慢升高,当疲劳加载循环次数达到7万次以后超声非线性系数开始快速增长,对应的试件开始萌生裂纹,到9万次以后试件的裂纹开始生长,当疲劳加载循环次数达到11万次时超声非线性系数达到峰值,然后随着疲劳加载循环次数的继续增加,超声非线性系数开始呈降低趋势,并在13万次时裂纹已经生长为3mm长的宏观裂纹,这说明超声非线性系数对钢轨疲劳过程中裂纹的萌生和扩展的变化非常敏感,验证了超声非线性系数用于表征U71Mn钢轨疲劳损伤过程的有效性。

频率分辨率对超声非线性系数的影响及修正方法

针对较低的频率分辨率会使超声非线性系数产生一定的计算误差的问题,通过对离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)计算过程进行理论分析以及在考虑超声信号不同截断长度、波形端点幅值等因素对计算超声非线性系数的影响的基础上,提出基于激励信号特征数据长度和端点数据特征的超声非线性系数计算方法.分别利用仿真信号和实测信号对上述方法进行验证,可将实测信号相对超声非线性系数与标准值的偏差降到标准值的10%以内.结果表明该方法能有效降低由信号截断以及频率分辨率不足引起的超声非线性系数的计算误差.

基于高阶超声非线性系数的齿轮疲劳累计损伤检测与评估

齿轮的疲劳累计损伤是一种检测难度较大的损伤类型。采用非线性超声技术的高阶超声非线性系数对齿轮的疲劳累计损伤进行评估。以服役3年的齿轮为研究对象,对齿根32个和齿尖端16个检测点进行非线性超声实验。实验结果表明,14号齿和15号齿根部检测点的相对非线性系数最大,说明其疲劳损伤程度最严重。而对于同一个齿,齿根部的疲劳损伤要比齿尖严重。因此,根据检测点计算得的高阶相对非线性系数可用于齿轮疲劳累计损伤评估,为服役齿轮的疲劳损伤提供一种实用的检测方法。

燃气PE管热氧老化的非线性超声评价方法

聚乙烯(PE)管道广泛用于输送城市高压燃气,服役环境恶化引起的加速老化可导致管道的无预期破坏,严重影响人民的生命财产安全。针对此问题,提出了PE管道老化的非线性超声检测方法,构建PE管非线性水浸超声检测系统,并通过试验方法优化了检测参数;提取不同老化程度管材的非线性超声检测特征参数,建立了管材老化程度的非线性超声检测特征表征模型。试验结果表明:适当调整水距可接收到稳定的检测信号,非线性超声检测系数随老化程度的加深显著增大;可据此形成管道老化程度的非线性表征模型,以用于PE管热氧老化的无损检测。

基于非线性超声技术的球墨铸铁石墨大小及表层硬度的表征

球墨铸铁具有优良的力学性能被广泛应用在各工业领域,其内部的石墨形态和分布情况会影响其各项力学性能。相比于石墨球化率,石墨大小的表征研究相对较少,对球墨铸铁的石墨大小及表层硬度进行无损评定具有重要的工程意义。浇注了具有不同石墨大小和基体组织的球墨铸铁试件,对试件进行了金相观察及硬度试验。基于临界折射纵(longitudinal critical refraction, LCR)波和Rayleigh波模型,利用超声波声速及超声非线性系数表征球墨铸铁石墨大小及表层硬度。结果表明:LCR波的超声非线性系数随着表面硬度的增大而增大,随着石墨平均直径的增大而减少,并且相比超声波声速具有更高的灵敏度;LCR波的超声非线性系数的增加与微观组织中的晶界数量和碳化物的增加有关。因此,可以利用LCR波的超声非线性系数表征球墨铸铁的石墨大小和表面硬度,建立微观组织、超声非线性系数及机械性能之间的关系。

Q245R钢缺口试件早期损伤超声非线性特性研究

采用非线性超声技术,对含双边V型缺口的Q245R钢试件单轴拉伸过程进行测试,研究试件缺口附近区域不同位置的超声非线性特性。试验结果表明,超声非线性系数β能够准确表征材料的早期损伤状态,不同的拉伸损伤阶段β值变化规律不同,试件的不同位置因损伤程度不同表现出不同的超声非线性响应,距离缺口位置越近,损伤越严重,β值涨幅越大。试验通过β与损伤间的关系,验证了缺口附近区域的应力分布规律,证明了非线性超声技术在测试材料早期损伤方面的有效性。

镁合金粘接层失效的非线性超声检测研究

粘接层脱粘问题直接影响材料或结构的整体性能,需要采用合适的方法尽早检测。针对此问题,提出利用非线性超声无损检测方法对其进行检测,建立了粘结层失效的非线性超声测试系统,对脱粘不同程度的镁合金粘结层试件进行了试验研究,有效测量了表征粘接层失效程度的超声非线性系数β,结果表明超声非线性系数对镁合金粘结层失效非常敏感,且随脱粘程度呈二次函数关系增加;同时,建立了有限元仿真模型,对脱粘不同程度的镁合金粘结层试件进行了有限元数值仿真,仿真结果和实验结果在变化趋势上近似一致,进一步证明非线性超声检测技术可以用于粘接层界面失效的无损评价。

2219铝合金残余应力非线性超声表面波检测实验研究

铝合金板材表面或内部存在残余应力时,将会产生明显的非线性声学现象,这对于评价铝合金残余应力提供了新的思路。采用高能超声测试系统、数字示波器和计算机等组建非线性超声表面波检测系统,结合X射线应力测试方法,分别对淬火态和去应力退火态下的铝合金表面0°应力及相同区域内的超声非线性系数进行测量。结果表明:超声相对非线性系数和残余应力数值存在一定的对应关系,说明超声非线性系数可作为评价表面残余应力的特征量。当表面应力变小时,同区域的超声非线性系数会在一定程度上相应减小,并在输出电压水平升高时趋于稳定值。

基于非线性超声波的疲劳损伤检测试验研究

对完整铝板、含孔铝板以及用复合材料补片修补后的铝板分别进行疲劳试验和非线性超声波检测试验,提取三组试件不同疲劳周期下的基波幅值和二次谐波幅值,得到其相对二阶超声非线性系数,并拟合出相对二阶超声非线性系数随疲劳周期变化的曲线图,以研究相对二阶超声非线性系数与疲劳损伤过程的对应关系。结果表明:随着疲劳周期增加,三组试件的相对二阶超声非线性系数均呈现先缓慢上升,然后快速上升并到达峰值,最后下降的趋势,这与疲劳损伤过程中位错和裂纹的产生及扩展过程相一致;同时发现:孔损伤会加剧微裂纹向宏观裂纹的过渡,而用复合材料补片修补孔损伤可减缓裂纹的扩展。

基于非线性超声的CL60车轮和U75V钢轨磨损检测方法

针对早期轮轨滚动磨损变化过程难以通过无损手段进行表征的问题,提出了非线性超声技术对不同磨损程度的CL60车轮与U75V钢轨试样进行检测评估;建立了基于轮轨试样表面磨损特征的Murnaghan模型,并利用非线性超声有限元仿真,通过塑性变形层厚度变化情况模拟不同程度的摩擦损伤,分析了其相对非线性系数变化规律及其产生原因。试验结果表明:轮轨的早期磨损会导致材料表面产生塑性变形层,随着塑性变形的加剧,材料损伤将以微裂纹为主,车轮角加速度越大,轮轨间相对滑动作用时间越短,塑性变形层越薄,且CL60车轮较U75V钢轨磨损程度更为严重;CL60车轮试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min^(-2)时,对应的相对非线性系数分别为12.19、8.43、5.68,U75V钢轨试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min^(-2)时,对应的相对非线性系数分别为7.57、6.09、5.04,与CL60车轮试样相比,U75V钢轨试样的相对非线性系数变化缓慢。可知,相对非线性系数与塑性变形层厚度呈正相关,微裂纹产生的非线性效应比塑性变形层更强,相对非线性系数增幅更大,因此,可通过材料的相对非线性系数变化判断材料的磨损阶段。

T700型碳纤维复合材料拉伸损伤的声学评价方法

利用非线性超声和声发射检测技术对T700型碳纤维复合材料加卸载试验过程中的损伤变化过程进行了研究。重点分析了试件不同载荷阶段的超声非线性系数的演化规律,并结合声发射特征参量分析了Felicity比,将Felicity比和非线性系数变化曲线与不同加载阶段的对应关系相互验证。试验结果表明,超声非线性系数对T700型碳纤维复合材料损伤有较高的敏感性,通过其时域经历能反映出损伤的动态变化规律,且与声发射Felicity比有较好的一致性,因此可以将超声非线性系数作为评价静拉伸试验过程中损伤严重性的新方法。