金大明
摘 要：其实材料性能的退化是一种非线性的力学过程，其内部可以产生超声波传播，所以也就产生了高频谐波。这其实也就给我们提供了一种可行的材料检测技术，那就是材料结构超声无损检测技术。本文首先针对现有的超声无损检测技术进行分析，之后对未来一段时间的发展方向进行了展望，希望可以给相关工作的开展提供一系参考。
关键词：材料力学性能；超声；无损检测
正常来说，在机械设备使用的过程中，其元件往往需要承受外界的载荷，在其作用下， 元件的寿命大多可以分为早期退化、化学老化以及损伤积累阶段，在此阶段材料会出现开裂，最后经过断裂就会直接失效。但其实人们已经对于损伤阶段起始阶段和积累阶段已经有了一定程度的研究，但人们对于长期环境影响下出现的情况却仍然缺乏一个了解。如果材料结构合理、质量过关，其应该在性能退化阶段停留很久，大约可能会占到整个材料使用寿命的4/5，所以这样看来，针对结构早期退化阶段的力学情况进行监测也是十分重要的。通过无损检测技术来进行检测不会影响到目标的物理化学性能，通过无损检测可以明确了解材料此时的状态、使用寿命等系数，其中超声无损检测是其中非常重要的一个类型。
一、超声无损技术概述
正常来说，超声技术应用的方式是非常多样的，不仅包括拉伸和冲击以及高温蠕变，但是我们已经知道，所有材料构件失效的原因，绝大多数都是材料的疲劳，如果让其进入材料疲劳符合的话就会直接影响其力学性能和使用寿命。
在相关研究中证实AA2024-T4铝合金试件于10Hz频率下通过加压荷载进行循环疲劳试验，然后利用显微镜对材料进行观察，可以明显发现通过上述实验处理造成了材料表面出现微裂纹，但以宏观角度去对材料进行审视并无法清晰地将材料性能变化反映出来。从非线性实验来看非线性系数与循环处理次数存在着明显的关系，研究中发现通过非线性超声实验得出在疲劳载荷的作用下，于宏观微裂纹出现前，当循环载荷次数逐渐上升时，材料的非线性系数也会随之上升，但从线性声学系数来看并不会出现太大变化。而通过利用非线性超声实验可在材料原件出现宏观可见微裂纹前便可捕捉到微结构变化及力学性能蜕变情况，由此可准确判别出材料失效过程，并可以此作为参考为材料维护提供支持。虽然非线性超声实验可将材料的损耗情况及性能退化情况较为清晰地反映出来，但是实验手段并不多，涉及范围较小，其体系还需要进一步完善。
二、超声无损检测分析
通常情况下非线性超声无损检测系统当中涵盖了主机、低通滤波器、高能衰减器、示波器以及微型计算机等。在系统工作过程中主机会对正弦脉冲信号产生激发作用，然后由低通滤波器将高频部分过滤，然后再通过高能衰减器将低频部分过滤。经过上述处理后可将其传递于发射换能器并通过转换作用将电信号转变为超声波。超声波透过试件后再由接收转换器重新转变为电信号，最终由非线性系统接收。另一方面主机与示波器相连接并以其作为输出设备，主机与计算机连接并可通过计算机对测试参数及控制试验数据进行有效接收及处理。在实际检测过程中超声无损检测对象事实上是电信号，常用的换能器是压电式换能器，在压电效应的作用下可实现机械振动与电信号的相互转换。当然换能器在应用时其自身也会消耗部分功率。压电探头主要以接触式与液浸式最为常见，其中液浸式需要液体环境支持才可有效接收信号，该方式并不会与试件直接接触；接触式探头可直接置于试件表面来采集信号。在整个检测过程中超声频率对其探测能力具有绝对性的影响。频率上升则波长下降，此时得到的声束收窄并可保持集中方式，对于小缺陷的探知能力将大幅度提升，但高频超声波在材料中会产生较为明显的衰减作用，其穿透能力有限；而低频超声波由于其频率低，波长较长，因此会得到较宽的声束带使得能量无法集中，因此无法对材料缺陷进行有效发掘，但它在材料中衰减程度较小，因此具备了较强的穿透力。基于上述原理一般在细小颗粒材料检测时会将频率设定为2.5～5MHz，而对于粗大颗粒材料或散射能力较强的材料这采用0.5～1MHz频率进行检测。
激励波形选择也是检测过程中较为关键的环节，可选用单频连续正弦波作为信号源，但这种信号源产生的信号轴向分辨能力并不理想，在定位缺陷判定中效果也不佳；而单脉冲正弦波则可获取高幅度的激励波形，因此具备了较高水平的轴向分辨力，但在接收端并不能充分地对信号成分来源进行判断且超声波时间较短，因此无法精确地作出超声非线性响应，这使其作用受到了极大的限制。在测试信号处理过程中主要流程如下：示波器经过数据采集后得到时域波形，再通过FFT变换作用得到频域波形，读取幅值后便可得到基波幅值以及倍波幅值，通过计算获取相应的非线性系数。对于材料力学性能退化超声无损检测而言若要使其有效实现则必然要构建出行之有效的理论模型，并建立相关的定量关系，如今此项研究已经取得了一定的进展，通过将材料微观结构来反映出超声特性与材料宏观力学性能的联系。当然目前以超声无损技术对材料力学性能退化进行测定仅限于金属材料，其体系还有待完善。
三、总结和展望
其实结合前文所谈，使用超声波传播非线性特性来对材料进行无损检测和评价，和旧有的绝线性超声方法相比起来，超声传播非线性检测方法可以让很多问题得到解决，举例来说可以预测构件的机械性能以及使用寿命等等，所以我们应该采取有效的技术手段，进一步探讨其作为一种材料检测技术的可行性，但目前来看其在以下几个方面仍然有待于完善。
（1）其实总体上来看，在非线性超声领域，当前实验手段还是比较贫乏的，我们所能选用的实验手段和实验器材也没有一个较为宽广的范围，仍然是集中于几种主要金属材料之上，所以仍然没有广泛的实验数据，适用范围广泛的规律也没有找到，所以在维拉一段时间内，我们也应该积极开展实验，还要涉及到多种非金属材料之中。
（2）对于微观的物理模型来说，现在对于相关理论模型的讨论还仍然非常罕见，并且也局限于非晶体模型当中。所以我们应该对于围观物理模型建立上提高重视程度，积极采用其他微观物理结构参数，这样才能保证其结构的真实性和可参考性。
（3）对于数学分析这项内容来说，现在仍然还要处理一维纵波的情况，但我们也应该对二维和三维以及横波等情况加以讨论。
（4）对于粘接面的超声检测来说，现在其所使用的物理量仍然缺乏统一性，并且在微观的机理方面仍然缺乏统一，这就需要我们进一步完善所使用的物理模型和数学模型。
总而言之，如果我们想要超声波非线性无损检测技术真正应用到实际工作当中，我们不仅需要进行大量的实验研究，并且还应该讨论材料维管组织结构和超声波非线性行为以及材料本身的力学性能之间的关系进行探讨，积极进行定量，创建一个模型，这样才能开发一套真正可行的技术手段，不断提高材料的使用寿命，给相关维护工作的开展提供一些可靠的指导。
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