金属零部件由于长期承受拉伸、压缩或交变载荷而产生力学性能退化,导致最终断裂失效是一种非常普遍的现象。在役金属零部件的寿命一般可分为三个阶段:早期的力学性能退化、损伤的起始与积累以及最后的断裂失效。对于设计良好的结构元件,第一和第二阶段一般占整个寿命的80％-90％,如何有效检测零部件的早期力学性能退化是目前结构健康监测领域的难点和热点问题。因此,研究金属材料早期力学性能退化的检测理论和方法,对于维护各种设备和飞行器的安全运行有着重要的学术意义和工程应用价值。　　 在金属材料的早期力学性能退化阶段,材料内部存在位错和滑移带等微观缺陷,当单一频率的超声波在金属材料内部传播时会与这些微观缺陷发生非线性相互作用,导致波形畸变,从而产生高次谐波。通过对这些高次谐波的检测和分析,可以对材料和结构的早期力学性能退化进行有效地无损检测和评估。　　 本文针对金属材料早期力学性能退化的无损检测问题,在研究超声非线性效应的基础上,开发设计了一套完整的超声非线性系数测量系统,实现了对金属材料早期力学性能退化的在线检测,研究了不同疲劳加载方式对实验结果的影响,同时测量了金属材料疲劳加载过程中的位错、驻留滑移带和微裂纹的定量变化,初步建立了疲劳寿命、微观结构和超声非线性系数之间的关系。主要工作如下:　　 (1)超声非线性系数测量系统设计　　 开发设计了一套完整的超声非线性系数测量系统,分析了非线性干扰源,通过实验信号和高能低通滤波器等仪器的选择以及配套夹具的设计制作,解决了超声非线性系数非常小,易被测量实验系统的非线性干扰淹没的问题。在相同实验条件下测量了同一试件在不同激励信号电压下的基波和二次谐波幅值,二次谐波和基波平方线性相关系数达到r=0.9986,表明在一定范围的输入信号波动下,测量结果不受影响,验证了实验系统的可靠性。　　 (2)金属材料力学性能退化的非线性超声离线检测实验研究　　 分别对AZ31镁合金和LY12硬铝合金两种材料进行了拉伸和疲劳载荷下的非线性超声离线检测实验,研究了非线性超声特征参数β对金属材料早期力学性能退化的敏感程度,证实了该方法对性能差别较大的不同金属材料的适用性。研究结果表明,非线性超声无损检测技术可以用于多种金属材料早期力学性能退化的检测。对弹塑性理论模型值、非线性超声检测实验结果和微观观察实验结果进行了验证和比较,结果可以互相解释和验证。　　 (3)镁合金早期力学性能退化的非线性超声在线检测与原位微观观察研究　　 在提出并实现超声非线性系数在线测量的基础上,对不同加载应力方式下的镁合金疲劳损伤进行了在线非线性超声检测实验研究,揭示了低周、高周疲劳以及拉一拉和拉一压等疲劳方式下的超声非线性系数变化规律,结果表明,非线性无损检测方法可以用于多种疲劳加载方式下的力学性能退化检测。首次利用原位微观观察法定量测量了镁合金材料疲劳加载过程中的驻留滑移带和微裂纹的变化,初步建立了疲劳寿命、超声非线性系数和材料微观组织结构的关系。发现了超声非线性系数随疲劳周数增加先增大后减小的变化规律,即在小于疲劳寿命的55％,位错运动产生的驻留滑移带增多,微裂纹萌生扩展,超声非线性系数随之单调增加,在大于疲劳寿命的55％,则宏观裂纹出现,材料的衰减系数增大,超声非线性系数随之减小。　　 (4)微裂纹的超声非线性效应研究　　 与经典的超声非线性效应不同,微裂纹在超声波作用下产生接触非线性。对微裂纹的超声非线性效应进行了数值模拟研究,同时仿真了微裂纹长度、数目、宽度和角度等对超声非线性系数的影响,计算结果可以解释和验证非线性超声实验结果。结合微观实验、非线性超声实验和数值模拟结果,在位错理论模型的基础上引入了微裂纹的贡献,发展了原有的微观理论模型。　　 (5)镁合金厚板结构早期疲劳损伤的Rayleigh波检测实验研究　　 通过对Rayleigh波在非线性金属材料中的传播特性研究,提出了一种将压电传感器直接安装在被测试件的边缘激发和接收Rayleigh波的方法来测量材料的超声非线性系数,并通过有限元数值仿真和实验研究验证了该方法的可行性,为金属材料厚板结构的疲劳损伤检测提供一种可供选择的有效途径。利用Rayleigh波的非线性对镁合金厚板结构的累积效应和疲劳损伤进行了检测,证实了Rayleigh波非线性系数随声波传播距离和疲劳加载周数增大而增大的现象,表明Rayleigh波的非线性系数可以表征镁合金厚板结构的疲劳损伤。