CN105954355B - 一种材料表面微裂纹宽度的检测方法 - Google Patents

一种材料表面微裂纹宽度的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种材料表面微裂纹宽度的检测方法，属于无损检测技术领域。材料表面裂纹缺陷检测方法研究，不仅对材料完整性评价具有重要的研究意义，而且对结构健康安全监测具有重要的应用价值。建立双通道线聚焦超声换能器模型，分析不同裂纹宽度时的接收信号，探究材料表面微裂纹检测的有效方法。结果显示：随着裂纹宽度的增加，通道①接收的回波信号呈规律性变化，依次信息可实现材料表面微裂纹宽度的检测及定量表征。本发明具有可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息；可对材料的表面微裂纹位置进行检测；可对材料表面微裂纹宽度进行定量表征。

Description

一种材料表面微裂纹宽度的检测方法
技术领域
本发明设计一种基于PZFlex仿真软件的材料表面微裂纹宽度检测方法，该方法主要用于线聚焦超声显微系统对小试件材料表面微裂纹缺陷的检测，属于无损检测技术领域。
背景技术
随着材料科学的不断向前发展，各种功能型材料不断涌现并投入使用。材料在服役过程中，因为应力的作用容易产生裂纹，裂纹可分为微观裂纹和宏观裂纹两种。已经形成的裂纹在应力或环境(或两者同时)作用下，会继续生长，这一过程称为裂纹的扩展。裂纹的出现和扩展，使工件的机械性能明显变差，这些微小的表面裂纹，其宽度可小至微米量级，是导致致命裂纹出现的最关键原因，而又因其尺寸微小，通常比可见裂纹更具隐蔽性和危险性，因此，对材料和结构件表面的微小裂纹进行检测，探求一种材料表面微裂纹的无损检测方法，对材料的健康安全检测具有重要的研究价值。
为了达到以上目的，本发明利用有限元仿真软件，建立线聚焦超声换能器有限元分析模型，对材料表面微裂纹宽度进行仿真分析，最终确定表面微裂纹宽度的检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决线聚焦超声换能器在材料表面微裂纹检测的问题，提出一种裂纹宽度的检测方法。具体步骤如下：
步骤1)：有限元分析模型材料及尺寸参数的选取
压电材料作为超声波换能器的激励和接收元件，本质是实现电能与机械能的转换，因此模型的核心部分为压电材料的选择及尺寸确定。为了增加换能器的频宽特性，提高能量的传输效率，模型选取压电材料PVDF薄膜作为激励/接收元件，Tungsten loadedepoxy,10％vf5.8Mray1(钨-环氧树脂，简称back10)为背衬，组成线聚焦换能器模型，换能器聚焦半径为20mm。
步骤2)：有限元分析模型建立
基于PVDF线聚焦超声换能器，如图1所示，换能器由壳盖1、壳体2、导线3、PVDF压电薄膜4、背衬5、UHF接头6组成。壳盖1设置在壳体2的顶部，PVDF压电薄膜4设置在壳体2的底部；壳体2内填充有背衬5，UHF接头6设置在壳盖1的中间位置并通过导线与PVDF压电薄膜4连接。
将整块压电薄膜进行分割，建立双通道线聚焦超声换能器有限元模型，如图2所示，通道①为激励/接收电极，通道②为接收电极。该设计不仅可提高有限元模型处理速度，而且能消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息。为使声波在材料表面产生表面波，由斯涅耳定律，换能器半张角应大于材料的瑞利角。为了排除边界回波对信号的干扰，模型的边界设置为吸收边界，采用计算速度更快的标准矩形网格划分模型，模型网格划分时，单个波长里包含的网格数过少，接收的上表面回波信号拖尾现象严重；而单个波长里包含的网格数过多，又会导致计算时间过长。综合两方面因素，选取单个波长内包含50个网格划分模型，这样既能保证计算结果准确，消除信号拖尾现象，同时也能缩短计算时间。
步骤3)：材料表面微裂纹宽度检测
为了检测材料表面微裂纹宽度，换能器置于试件上表面散焦测量位置处(3-8mm)，试件上表面设置一定尺寸的裂纹缺陷(裂纹深度的取值范围为100-1000μm,裂纹宽度的取值范围为200-2000μm)，通道①激励2-8MHz超声波，到达试件表面转换为表面波，沿试件表面传播，然后与裂纹发生相互作用，进而被换能器接收，分析换能器接收的回波信号，即可得到裂纹的相关信息。
步骤4)：数据提取
对换能器通道①接收的回波信号进行提取分析，如图4所示，得到某一裂纹宽度时的回波信号。从图中回波信号的波形可以看出，标记信号呈现规律性变化，随着时间推移，信号幅值逐渐降低。在任意裂纹宽度时，标记信号间的时间差大致相等。
步骤5)：波形信号传播路径分析
分析波形信号的传播路径，如图5所示，上述波形主要是由通道①激发超声波在液固表面转化为表面波R，沿试件表面传播遇裂纹的前沿端点1，由惠更斯原理，前沿端点1相当于一个次声源，表面波在此发生散射形成纵波，部分纵波被通道①接收，形成图4中的#1波形；部分纵波会沿着缺陷端口向左传播遇裂纹的后沿端点2，发生散射，部分纵波沿着缺陷端口向右传播遇裂纹的前沿端点1，同理可知，在前沿端点1发生散射产生的部分纵波会再次被通道①接收，形成图4中的#2波形，依此类推会再次形成#3、#4波形。通过分析，得到裂纹宽度与回波信号的接收时间之间的关系式，如式(1)所示，由此推算出裂纹宽度。
式中d——材料表面裂纹宽度
Δt——回波信号的时间间隔
VW——水中的超声波波速
附图说明
图1PVDF线聚焦超声换能器示意图；
图2双通道线聚焦超声换能器有限元模型示意图；
图3激励信号的时频特性；
图4 600μm裂纹宽度时的回波信号；
图5波形信号传播路径；
图6不同裂纹宽度时的回波信号；
图中：1、壳盖，2、壳体，3、导线，4、PVDF压电薄膜，5、背衬，6、UHF接头。
具体实施方式
步骤1)：有限元分析模型材料及尺寸参数的选取
结合实际及理论分析得到：为了增加换能器的频宽特性，提高能量传输效率，模型选取40μm厚压电材料PVDF薄膜作为激励/接收元件，Tungsten loaded epoxy,10％vf5.8Mray1(简称back10)为背衬，选取水作为耦合液，待测试件材料为铝，组成线聚焦换能器模型，换能器聚焦半径为20mm。材料特性如表1所示。
表1模型材料特性
步骤2)：有限元分析模型建立
基于PVDF线聚焦超声换能器，如图1所示，将整块压电薄膜进行分割，建立双通道线聚焦超声换能器有限元模型，如图2所示，该设计不仅可提高有限元模型处理速度，而且可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息。通道①为激励/接收电极，通道②为接收电极。由斯涅耳定律，为使声波在液/固界面产生表面波，换能器半张角应大于瑞利角，模型以铝材为测试对象，铝的瑞利角为30°，为了覆盖更高的表面波波速，因此换能器全张角取80°。为排除边界回波及底面回波对信号的干扰，模型的四个边界设置为吸收边界，采用计算速度快的标准矩形网格划分模型。网格大小兼顾单个波长里包含的网格数过少，接收的上表面回波信号拖尾现象严重，计算误差大；单个波长里包含的网格数过多，又会导致计算时间过长。综合两方面因素，选取单个波长内包含50个网格划分模型，既能保证计算结果准确，消除信号拖尾现象，同时也能缩短计算时间。
步骤3)：材料表面微裂纹宽度检测
为了检测材料表面微裂纹宽度，换能器置于试件上表面，于散焦5mm处，在裂纹宽度检测中，保持裂纹深度200μm不变，改变宽度，依次为200μm、400μm、600μm、800μm、1000μm。通道①激励5MHz超声波，激励信号时频特性如图3所示，激励信号到达试件表面转换为表面波，沿试件表面传播，然后与裂纹发生相互作用，进而被换能器接收，分析换能器通道①接收的回波信号，即可得到裂纹的宽度信息。
步骤4)：数据提取分析
分析通道①的接收回波信号，如图6所示。从图中虚线处波形可以看出，这些信号呈现规律性变化，随着时间推移，信号幅值逐渐降低。在任意裂纹宽度时，这些信号间的时间差大致相等；而当裂纹宽度增加时，这些信号间的时间差呈增长趋势。
步骤5)：波形信号传播路径分析
分析波形信号的传播路径，如图5所示，可以发现，上述波形主要是由通道①激发声波在液固表面转化为表面波R，沿试件表面传播遇裂纹的前沿端点1，由惠更斯原理，前沿端点1相当于一个次声源，表面波在此发生散射形成纵波，部分纵波被通道①接收，形成图4中的#1波形；部分纵波会沿着缺陷端口向左传播遇裂纹的后沿端点2，发生散射，部分纵波沿着缺陷端口向右传播遇裂纹的前沿端点1，同理可知，在前沿端点1发生散射产生的部分纵波会再次被通道①接收，形成图4中的#2波形，依此类推会再次形成#3、#4波形。通过分析，可得到裂纹宽度与回波信号的接收时间之间的关系式，如式(1)所示，由此可以推算出裂纹宽度。表2为根据仿真模型实际设定值与通过回波信号接收时间推算的裂纹宽度仿真结果的对比，由表中误差分析结果可以看出，除裂纹宽度200μm时由于时间间隔太小，不易区分，相对误差为1.66％，其它相对误差均小于1％，这为材料表面微裂纹的定量检测奠定了理论基础。
表2裂纹宽度仿真结果与模型实际设定值对比表
本发明具有以下优点：
1)可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息；
2)可对材料的表面微裂纹位置进行检测；
3)可对材料表面微裂纹宽度进行定量表征。

Claims (1)

1.一种材料表面微裂纹宽度的检测方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下，
步骤1)有限元分析模型的压电材料及尺寸参数的选取
压电材料作为超声波换能器的激励和接收元件，本质是实现电能与机械能的转换，因此模型的核心部分为压电材料的选择及尺寸确定；为了增加换能器的频宽特性，提高能量的传输效率，模型选取压电材料PVDF薄膜作为激励/接收元件，钨-环氧树脂为背衬，组成线聚焦换能器模型，换能器聚焦半径为20mm；
步骤2)有限元分析模型建立
基于PVDF线聚焦超声换能器，换能器由壳盖(1)、壳体(2)、导线(3)、PVDF压电薄膜(4)、背衬(5)、UHF接头(6)组成；壳盖(1)设置在壳体(2)的顶部，PVDF压电薄膜(4)设置在壳体(2)的底部；壳体(2)内填充有背衬(5)，UHF接头(6)设置在壳盖(1)的中间位置并通过导线与PVDF压电薄膜(4)连接；
将整块压电薄膜进行分割，建立双通道线聚焦超声换能器有限元模型，通道①为激励/接收电极，通道②为接收电极；为使声波在材料表面产生表面波，由斯涅耳定律，换能器半张角应大于材料的瑞利角；为了排除边界回波对信号的干扰，模型的边界设置为吸收边界，采用计算速度更快的标准矩形网格划分模型，模型网格划分时，单个波长里包含的网格数过少，接收的上表面回波信号拖尾现象严重；而单个波长里包含的网格数过多，又会导致计算时间过长；综合两方面因素，选取单个波长内包含50个网格划分模型，这样既能保证计算结果准确，消除信号拖尾现象，同时也能缩短计算时间；
步骤3)材料表面微裂纹宽度检测
为了检测材料表面微裂纹宽度，换能器置于试件上表面散焦测量位置处，试件上表面设置一定尺寸的裂纹缺陷，通道①激励2-8MHz超声波，到达试件表面转换为表面波，沿试件表面传播，然后与裂纹发生相互作用，进而被换能器接收，分析换能器接收的回波信号，即可得到裂纹的相关信息；
步骤4)数据提取
对换能器通道①接收的回波信号进行提取分析，得到某一裂纹宽度时的回波信号；从回波信号的波形可知，标记信号呈现规律性变化，随着时间推移，信号幅值逐渐降低；在任意裂纹宽度时，标记信号间的时间差大致相等；
步骤5)波形信号传播路径分析
分析波形信号的传播路径，上述波形主要是由通道①激发超声波在液固表面转化为表面波R，沿试件表面传播遇裂纹的前沿端点1，由惠更斯原理，前沿端点1相当于一个次声源，表面波在此发生散射形成纵波，部分纵波被通道①接收，形成#1波形；部分纵波会沿着缺陷端口向左传播遇裂纹的后沿端点2，发生散射，部分纵波沿着缺陷端口向右传播遇裂纹的前沿端点1，同理可知，在前沿端点1发生散射产生的部分纵波会再次被通道①接收，形成#2波形，依此类推会再次形成#3、#4波形；通过分析，得到裂纹宽度与回波信号的接收时间之间的关系式，如式(1)所示，由此推算出裂纹宽度；
式中d——材料表面裂纹宽度
△t——回波信号的时间间隔
Vw——水中的超声波波速。
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