裂纹尖端散射声场的非线性特征及检测方法研究

The existence and propagation of cracks in solid materials are destructive for their mechanical performances.Cracks can even directly determine the material' s lifetime thus they are fatal for the whole structure. The plastic zone and crack closure effect at crack tip determine the crack propagation rate.The scattering of ultrasound at crack tip is nonlinear, which can test and evaluate the crack formation and propagation. Based on the classical theory, traditional ultrasonic nondestructive testing methods ignore the interaction between the two interfaces of the crack and the presence of plastic zone, thus cannot detect the crack formation and propagation. Starting from the basic theories of nonlinear acoustics and elastic-plastic mechanics, we will investigate the mechanisms of nonlinear effects at crack tip and establish the nonlinear scattering model, experiments will also be carried out to investigate new methods detecting the crack tip. The work will contribute to both the fundamentals of ultrasound scattering in solid media and practical egineering applications.

固体材料中裂纹的存在和发展对材料的性能具有很大的破坏性，甚至直接决定着材料的寿命，对整个结构系统的安全也是致命性的。固体中的裂纹尖端塑性区和裂纹闭合效应决定着裂纹的扩展速率，裂纹尖端产生的散射声场具有非线性特征，可用于对裂纹的发生发展过程进行超声检测与评价。基于经典线性声学散射机理的常规超声检测理论和方法，既忽略了裂纹两个表面的相互作用也不考虑裂纹尖端塑性区的存在，一般不能对裂纹的发生发展过程进行检测评价。本项目拟从基本非线性声学理论及弹塑性力学理论出发，研究裂纹尖端塑性区和裂纹闭合效应产生的非线性超声波的散射机理，建立裂纹的非线性超声散射理论模型，实验研究超声散射场的非线性特征，探索裂纹尖端超声无损检测新方法。本项目的研究成果既对丰富和发展固体中超声波散射的基础理论有重要的学术价值，又对工业产品的无损探伤具有重要的应用价值。

项目以材料中裂纹的非线性超声检测和评价为背景，开展了超声在裂纹处传播和散射的物理模型建模、非线性超声检测和光弹法观测实验研究。主要的研究成果有：1.建立了各向异性晶体位错模型，分析了材料早期损伤阶段位错状态对材料非线性系数的影响规律;2.利用共轴平面波脉冲混合技术测量了材料内部的微损伤；3.研究了固体内两列声波相互作用时的非共线混频问题，利用非共线混频产生的非线性声波信号对宏观裂纹尖端进行了检测；4.建立了描述粗糙接触界面非线性效应的概率模型，分析了界面粗糙度和两侧表面相对运动对声波的非线性调制作用，实验观测了接触界面的高次谐波现象和阈值现象；5.搭建了低频非线性超声检测系统，利用脉冲串回波法检测了橡胶与金属界面的脱粘问题；6.利用动态光弹法，研究了裂纹尖端的超声散射和动应力集中现象，提出了几类典型裂纹的超声检测新方法。项目工作为研究固体中非线性超声与裂纹的相互作用规律建立了物理模型，为微裂纹、宏观裂纹尖端、闭合裂纹等的超声检测和评价提供了技术路线，为研究超声在裂纹处的散射问题提供了直接观测的光弹实验平台。