作者特稿︱铝板塑性损伤的电磁超声非线性检测新方法
省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学电气工程学院） 、天津工业大学天津市电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员张闯、曹晓琳、刘素贞、金亮、杨庆新，在2019年第19期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于累积效应的铝材塑性损伤电磁超声非线性检测”），针对材料早期微损伤检测这一热点问题，提出基于二次谐波累积效应的电磁超声Lamb波非线性检测方法，并将其应用于铝板的塑性损伤检测。
铝合金板材在国防和工业等各个领域应用广泛，而在其制备、加工以及实际服役期间，因受到拉伸载荷、交变载荷等作用，铝材会出现诸如塑性应变和微裂纹等的早期损伤。铝材的塑性变形并不能导致材料的弹性模量、声速、声衰减等材料声属性大尺度的变化，因此常规超声检测方法往往是失效的。
材料存在塑性损伤时，相关区域的应力应变呈非线性关系，从而使得传播至该区域的超声波产生了以二次谐波为主的高次谐波。非线性超声检测方法正是基于材料的这一非线性特征以实现材料微损伤检测与性能评估。
对于材料微纳尺度缺陷(位错、微裂纹等)的检测，常规非线性超声检测方法主要利用超声体波、表面波或导波在传播过程中遇到缺陷会产生高次谐波的非线性特性，实现对损伤的检测。由于高次谐波具有易衰减和易受外界干扰的特性，不适于长距离传播和检测，各种环境因素容易引起检测误差和失效等问题。此外，由于电磁超声换能效率较低，其非线性检测效果无法满足工程技术需求。
Lamb波在特定条件下可以产生随着传播距离累积的二次谐波，这一特性使得其在大尺寸结构检测方面相比于传统的超声非线性检测方法具有明显优势。本文提出基于二次谐波累积效应的电磁超声Lamb波非线性检测方法，并将其应用于铝板的塑性损伤检测。
课题组基于导波在固体中传播的波动方程以及固体力学的非线性理论，推导了产生随着传播距离可累积的二次谐波的条件，即基波与二次谐波的相速度匹配，并且能量流不为0。通过计算Lamb波的频散特性曲线，Lamb波S0模态500kHz的群速度为5.37mm/μs，与1MHz对应的相速度近似相等，因此本文选择频率为500kHz的Lamb波S0模态作为超声激励信号。
论文采用Murnaghan模型进行电磁超声非线性有限元仿真分析，通过模拟不同程度的塑性损伤，观察基波与二次谐波幅值的变化，进而研究二次谐波的累积效应。仿真结果显示，随着传播距离的增加，基波幅值逐渐降低，基波的能量一部分随着传播距离衰减，一部分能量转移到二次谐波；并且随着传播距离的增加，二次谐波幅值基本成线性增长，即该模态下产生了可累积的二次谐波；由此可知，传播距离与相对非线性系数成线性关系，与理论分析相一致。
为了验证仿真结果的正确性，利用电子万能试验机在位移控制模式下对厚度为1mm的6061铝板进行静态拉伸，使被测件产生塑性变形。采用非线性电磁超声检测系统提取接收到的直达波波包信号进行时频域分析，研究6061铝板中塑性损伤对电磁超声Lamb波传播特性的影响规律。
图1 非线性电磁超声检测试验平台
图2 相对非线性系数与超声传播距离的对应关系
对比完好试件和含塑性损伤试件的实验结果可知：
1）当超声波传播距离一定时，完好试件的基波幅值大于损伤试件的基波幅值，完好试件的二次谐波幅值小于损伤试件的二次谐波幅值，并且损伤试件的相对非线性系数也大于完好试件的相对非线性系数，即试件的非线性增加，从而也证明了塑性损伤使得基波的能量部分转移到二次谐波；
2）对于损伤试件而言，随着传播距离的增加，基波幅值减小，二次谐波幅值增大，相对非线性系数增加，即在该实验条件下，系统产生了可累积的二次谐波，并且传播距离与二阶相对非线性系数基本成线性增加的关系，因此累积效应适用于铝材塑性损伤区域长度的定量检测。
张闯，博士，教授，博士生导师，河北省高校优秀青年基金获得者，中国电工技术学会青工委委员，现任省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室副主任、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室副主任。主要从事电磁无损检测与评估、工程电磁场与新技术等方面的研究。