【摘要】：焊接作為常用的連接手段,廣泛應(yīng)用于航空、高速列車、橋梁建設(shè)以及汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域中。焊接質(zhì)量?jī)?yōu)異的接頭在承受交變載荷時(shí),也會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷,危及焊接結(jié)構(gòu)的使用。目前對(duì)焊接接頭的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)需要通過復(fù)雜的計(jì)算才能實(shí)現(xiàn),不能直接檢測(cè)材料內(nèi)部的疲勞損傷。與常規(guī)疲勞預(yù)測(cè)方法相比,非線性超聲檢測(cè)技術(shù)使用相對(duì)簡(jiǎn)單,能夠直觀地表征材料中的疲勞損傷。但是現(xiàn)階段焊接接頭的非線性超聲機(jī)理研究與結(jié)構(gòu)疲勞損傷檢測(cè)的研究還處于起步階段,實(shí)際應(yīng)用中缺乏完整的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型,特別是裂紋擴(kuò)展過程中的非線性超聲響應(yīng)模型,目前還需要進(jìn)一步的完善。因此,焊接接頭疲勞損傷區(qū)域中非線性超聲響應(yīng)特征的提取及相關(guān)研究,已成為目前研究人員重點(diǎn)關(guān)注的課題。本文基于固體中超聲波波動(dòng)理論,以U71Mn鋼為試驗(yàn)材料,推導(dǎo)出沿立方晶體內(nèi)部不同方向傳播的超聲波波動(dòng)方程,選取了非線性檢測(cè)的波型,獲得了檢測(cè)中所使用的非線性系數(shù)的表達(dá)式;同時(shí)推導(dǎo)出非線性系數(shù)與材料損傷之間的關(guān)系,為非線性超聲檢測(cè)技術(shù)用于疲勞損傷表征提供了理論依據(jù)�；谖诲e(cuò)理論下?lián)p傷與非線性系數(shù)之間的關(guān)系,利用有限振幅超聲波穿透單個(gè)或多個(gè)位錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的非線性效應(yīng),建立了位錯(cuò)組織與超聲波之間的非線性效應(yīng)模型。結(jié)合TEM觀察的疲勞區(qū)域結(jié)構(gòu)組織形貌,對(duì)U71Mn鋼試件低頻加載后非線性系數(shù)的變化進(jìn)行了理論解釋,研究表明,疲勞初期的損傷與非線性系數(shù)呈單調(diào)關(guān)系,非線性系數(shù)增加的主要原因是疲勞區(qū)域中位錯(cuò)弦的拉長(zhǎng)與位錯(cuò)密度的上升。探討了有限振幅超聲波與裂紋之間的相互作用,解釋了二次諧波的產(chǎn)生原理。通過改變激勵(lì)信號(hào)幅值或作用于裂紋界面的加載力,研究了裂紋的不同閉合狀態(tài)對(duì)非線性系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明,有限振幅超聲波信號(hào)幅值越高,其在裂紋界面由拉/壓效應(yīng)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)越強(qiáng);裂紋的閉合面積越大,有限振幅超聲波通過后產(chǎn)生的非線性效應(yīng)越強(qiáng);而宏觀裂紋的出現(xiàn)會(huì)降低超聲波的透射率,將會(huì)減弱非線性效應(yīng)。結(jié)合以上三點(diǎn)分析,疲勞中后期產(chǎn)生的損傷與非線性系數(shù)將呈非單調(diào)關(guān)系;第一階段非線性系數(shù)增加主要是由于微裂紋的萌生與生長(zhǎng),而第二階段非線性系數(shù)下降的原因是宏觀裂紋的形成。非線性檢測(cè)中有限振幅波以不同入射角度通過疲勞區(qū)域時(shí),產(chǎn)生的非線性效應(yīng)也將不同。本文采用端面入射法、直入射法與斜入射法提取了承受疲勞載荷U71Mn鋼試件中的非線性系數(shù)。研究表明,斜入射法既能保證聲波與疲勞損傷區(qū)的相互作用,又對(duì)不同的焊接接頭有較好的適應(yīng)性,可以獲得較好的非線性超聲測(cè)試結(jié)果。通過透射電鏡與金相顯微鏡觀察不同低頻疲勞加載次數(shù)U71Mn鋼母材試件中的組織形貌,將材料的損傷與提取的非線性系數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),建立了疲勞加載次數(shù)與非線性系數(shù)的關(guān)系曲線(β~N曲線)。發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)弦拉長(zhǎng)與位錯(cuò)密度增加造成了非線性系數(shù)的升高(5萬次前TEM形貌);微裂紋的出現(xiàn)使非線性系數(shù)進(jìn)一步升高(5-11萬次間金相照片);而宏觀裂紋的擴(kuò)展將引起非線性系數(shù)下降(11萬次加載后金相照片)。利用HHT技術(shù)處理了穿透焊接接頭試件疲勞區(qū)域的超聲信號(hào),結(jié)合位錯(cuò)與裂紋的理論分析,將β~N曲線劃分為三個(gè)階段。第Ⅰ階段非線性系數(shù)呈緩慢線性上升趨勢(shì),對(duì)應(yīng)疲勞初期應(yīng)力集中與位錯(cuò)增殖期(6萬次前);第Ⅱ階段非線性系數(shù)呈快速線性上升趨勢(shì),對(duì)應(yīng)了疲勞過程中裂紋萌生(6-8萬次)及閉合裂紋產(chǎn)生(6-11萬次)階段;第Ⅲ階段非線性系數(shù)呈快速下降趨勢(shì)(11萬次后),對(duì)應(yīng)了疲勞過程中的宏觀裂紋產(chǎn)生及生長(zhǎng)階段。通過二次加載的方式,利用實(shí)驗(yàn)獲得的β~N曲線預(yù)測(cè)了U71Mn鋼焊接接頭試件的剩余疲勞壽命,平均預(yù)測(cè)誤差不超過20%,最低預(yù)測(cè)誤差可達(dá)到4.63%。以上研究結(jié)果表明,利用β~N曲線能夠表征疲勞加載中由位錯(cuò)出現(xiàn)到裂紋形成,最終失穩(wěn)擴(kuò)展的整個(gè)損傷過程,完成了一定條件下U71Mn鋼焊接接頭剩余疲勞壽命的預(yù)測(cè)。為了拓寬非線性超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的使用范圍,降低非線性檢測(cè)的成本,利用脈沖反轉(zhuǎn)法信號(hào)處理技術(shù)簡(jiǎn)化了非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果表明,在不使用硬件濾波的條件下,利用該方法也可以有效地提取通過焊接接頭疲勞區(qū)域超聲信號(hào)中二次諧波的幅值,獲得相應(yīng)的非線性系數(shù)及β~N曲線。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG441.7

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