在各类装备中广泛使用板状或类板状的金属构件,疲劳是金属构件的主要损伤形式之一。疲劳的产生会使服役中的构件出现晶格位错、微塑性变形、微裂纹、残余应力集中等现象,如果不及时采取相应的措施,在循环载荷作用下微裂纹将会不断扩展,最终造成构件疲劳断裂,甚至会引起灾难性的事故。因此,金属构件早期疲劳损伤的检测与评估,对于确保金属构件的可靠性具有重要的理论和工程应用价值。但是金属构件早期疲劳损伤难以检测,是亟待解决的难题。金属构件疲劳损伤的非线性超声检测机理是利用超声波在金属构件中传播时,与材料中的疲劳损伤(如晶格位错或微裂纹等微缺陷)相互作用,使超声波波形发生畸变,产生高次谐波分量,利用超声非线性特征参数对材料微缺陷的敏感程度表征材料的非线性特性,从而实现对金属构件疲劳损伤的检测。针对上述问题,本文在国家自然科学基金项目的支持下,研究非线性超声理论和疲劳构件中微塑性变形、微裂纹和残余应力等疲劳损伤的非线性超声表征方法。以金属板材为对象,设计了非线性超声检测系统,研究了拉伸/压缩试验、疲劳弯曲实验过程中超声二阶、三阶相对非线性系数的变化规律,研究了加载过程中材料显微组织的变化,从微观角度分析了非线性系数变化的原因。主要工作包括:(1)以弹性波动理论为基础,分析声学非线性现象的基本原理。基于固体材料的应力-应变本构关系,使用摄动法求解非线性超声波动方程,建立超声非线性系数β、δ与超声波动特征的内在联系,确定超声相对非线性系数与接收信号基波幅值、谐波幅值之间的定量关系。讨论超声非线性系数与金属构件疲劳损伤之间的内在联系,建立金属构件“非线性超声系数--疲劳损伤”的表征方法。(2)分析位错单极模型、位错偶模型的优缺点,以位错滑移模型为基础,推导位错偶模型,提出了二阶非线性系数的位错综合模型和三阶非线性系数δ的位错偶模型。揭示“超声非线性行为--微观组织--材料性能(应力或疲劳损伤)”之间的内在联系。(3)研究残余应力的超声表征方法。基于声弹性理论,讨论不同方向、不同类型的超声波对残余应力的敏感程度。使用位错理论模型分析拉伸应力对超声非线性系数的影响,并与实验数据拟合曲线进行比较。研究应力非线性检测系统特性(如温度特性、重复性等)。(4)研究疲劳构件中微裂纹的超声表征方法。使用非线性弹簧模型分析微裂纹在外力作用下的开合运动,研究微裂纹长度和宽度变化对超声信号幅值的影响。使用有限元分析不同长度和宽度的微裂纹引起超声非线性系数的变化趋势,并利用实验验证非线性弹簧模型和有限元分析结果。(5)针对三种典型材料,研究超声相对非线性系数随疲劳周期的变化趋势。探索引起超声非线性系数变化的微观原因,利用位错模型分析超声非线性系数与疲劳寿命的关系,利用实验验证位错理论的正确性。基于传统的疲劳累积损伤理论,研究超声非线性系数在不同疲劳循环周期下实验数据的分散性,提出基于超声非线性综合参数和概率分析预测金属构件的疲劳寿命的方法。