基于光栅激光超声声谱多参数同步测量的金属疲劳损伤非接触跨尺度表征关键技术研究

裴翠祥^*，寇兴，刘天浩，钱程，陈振茂

西安交通大学航天航空学院, 机械机构强度与振动国家重点实验室，陕西省无损检测与结构完整性评价工程中心，西安，710049，中国

详细摘要：金属疲劳损伤一直以来都是航空航天、能源动力和交通等重要工业领域关键装备及构件失效的主要原因之一。由于环境和应力集中问题，疲劳损伤大多始于金属构件近表面区域，且一般会经历循环形变引起局部塑性变形—萌生微裂纹—微裂纹长大合并形成宏观裂纹—宏观裂纹稳定扩展—结构失稳断裂等五个阶段。目前，常规无损检测主要针对宏观疲劳裂纹进行检测和评价，对于疲劳早期损伤尚无有效的无损检测方法。超声是研究金属疲劳损伤检测与表征的主要手段之一，为提高超声检测对局域疲劳损伤的检测精度和分辨率，改善疲劳损伤易发部位可达性，同时克服单一参数评价方法无法覆盖疲劳各阶段损伤的有效检测难题，本文提出基于光栅激光超声声谱的线性-非线性多参数同步测量的金属局域疲劳损伤跨尺度非接触检测与评价方法。如图所示，通过双光栅脉冲激光在金属表面激发双波长、窄频带表面波激励，疲劳损伤演化过程中，金属材料先后产生的应力变化、塑性变形、微裂纹和宏观裂纹会导致激光超声波速改变、非线性和线性反射效应，通过光栅激光超声表面波声谱线性-非线性多参数同步测量可实现不同阶段金属疲劳损伤的跨尺度检测和表征。