[发明专利]基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统及方法

说明书

本申请公开了一种基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统及方法，涉及金属材料力学性能测试技术领域，为解决传统应变片无法检测试样内部疲劳损伤的问题。本申请提供的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，包括超高周疲劳试验机，超高周疲劳试验机包括控制系统、壳体、以及安装在壳体内的加载系统，加载系统上安装有试样，控制系统控制加载系统对试样进行疲劳测试，激光发射器发射激光脉冲至试样，以在试样中激发超声波，激光超声接收器中的采集模块用于采集超声波信号并将其转化为电信号，数据处理模块能够将电信号转化成频率信息波形图或振幅信息波形图。

技术领域

本申请涉及金属材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统及方法。

背景技术

众所周知，材料的疲劳性能是决定材料能否服役的关键指标。当循环载荷周次在10⁷至10¹⁰范围内时，试件发生疲劳破坏的现象，称为超高周疲劳。

随着工业技术的发展，飞行器、汽车和高速列车等要求某些部件的疲劳寿命达到10⁸周次以上，甚至到10¹⁰周次。美国空军“发动机结构完整性大纲ENSIP(EngineStructural Integrity Program)”已经增加了条例，规定“发动机部件的高周疲劳寿命最低应该达到10⁹周次”。而且早在上世纪80年代日本学者就发现金属材料在10⁷周次之后仍然可能发生疲劳破环，因此，超高周疲劳性能直接影响航空航天器、汽车、海洋平台以及轨道交通等重大工程装备长期服役的安全性和可靠性。超高周次范围疲劳行为的研究越来越受到关注，超高周疲劳研究已经成为工程材料研究领域一个新的热点问题，近几十年来在世界各地得到广泛开展。

超声波疲劳技术作为一种重要的实验技术，其利用高能量的20kHz的超声波振动引起试样共振，在试样中建立交变应力场，长期以来一直用于研究材料的疲劳行为。超声疲劳节省了大量的试验时间和成本，成为重要的疲劳测试手段之一。与传统的伺服液压、电磁共振和旋转弯曲测试技术相比，金属材料在超高频范围(例如20kHz以上频率段)进行疲劳测试往往会获得完全不同的疲劳强度及失效机理。

然而，超高周疲劳的典型特征是内部破坏，疲劳裂纹常起源于试件内部缺陷处，从而使得疲劳损伤的检测成为难点，传统应变片等方法无法使用。

因此，有必要提供一种新的超高周疲劳损伤检测系统及方法，以克服现有技术存在的缺陷。

发明内容

本申请实施例提供的基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统及方法，用于解决传统应变片无法检测试样的内部发生疲劳损伤的问题。

为达到上述目的，一方面，本申请提供了一种基于非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统，包括超高周疲劳试验机，所述超高周疲劳试验机包括控制系统、壳体、以及安装在所述壳体内的加载系统，所述加载系统上安装有试样，所述控制系统控制所述加载系统对所述试样进行疲劳测试，非线性激光超声的超高周疲劳损伤检测系统还包括非线性激光超声系统，包括激光发射器、激光超声接收器、数据处理模块，所述激光发射器和所述激光超声接收器均与所述数据处理模块电连接，所述激光发射器发射激光脉冲至所述试样，以在所述试样中激发超声波，所述激光超声接收器中的采集模块用于采集超声波信号并将其转化为电信号，所述数据处理模块能够将所述电信号转化成频率信息波形图或振幅信息波形图。

在本申请的一些实施例中，所述加载系统包括同轴设置的超声波产生器、超声波转换器和位移放大器，所述位移放大器和所述试样的上端固定连接。

在本申请的一些实施例中，所述位移放大器上设有螺纹部，所述试样的上端设有螺纹段，所述螺纹段和所述螺纹部之间螺纹连接。

在本申请的一些实施例中，还包括冷却系统，所述冷却系统用于给所述试样降温。