金属构件在发生疲劳断裂之前会经历微裂纹的扩展,演化成为宏观裂纹这一阶段,因此需要在早期对裂纹进行及时的检测,避免构件突然的失效断裂。传统线性超声对于裂纹缺陷并不敏感,而非线性超声能对材料早期裂纹损伤进行有效表征,所以探究超声波与金属构件中裂纹损伤的相互作用,从而实现对裂纹损伤程度的非线性超声评价,这一研究工作将推动非线性超声技术在实际工程结构损伤检测方面的应用进程。本文首先从三种波型的优劣对比中确定了表面波用于检测裂纹结构的优越性,并对非线性表面波检测系统的激励信号、信号计算处理及耦合剂的选择进行了优化设计。以轨道交通领域常用的6005A铝合金为试验对象,通过疲劳加载的方式,预制了含不同裂纹长度的6005A试样,分别测试了各试样的相对非线性系数。结果显示,在本实验条件下,增大裂纹长度会使得相对非线性系数呈先增大后减小的变化规律,这一现象可能与裂纹区的闭合和张开运动相关,裂纹发生张开运动的起始点约在扩展极限长度的26.4%处,裂纹呈完全张开状态的起始点约在扩展极限长度的58.9%处,超过该范围测得的相对非线性系数所对应的裂纹尺寸不唯一。由机械线切割的方式预制了带有不同深度裂纹的平行试样,检测结果显示裂纹深度增大,相对非线性系数随之增大。利用ABAQUS有限元软件,模拟了6005A铝合金不同程度裂纹损伤缺陷的非线性超声检测过程,裂纹长度大于6mm后,相对非线性系数随裂纹长度变化的仿真结果与试验结果有不同趋势,可能是由于仿真计算长度范围内的裂纹处于裂纹闭合状态区或者过渡区域,在此长度范围内的裂纹区不足以弱化信号的传播。然后探究了相对非线性系数分别随着传感路径偏移量和裂纹偏转角度的变化关系,结果显示随着裂纹偏转角度的增大,相对非线性亦随之增大,且裂纹越长,相对非线性系数对于裂纹偏转角度越敏感;增大偏移量,会导致相对非线性系数呈逐渐下降趋势。基于此规律,利用相对非线性系数对铝合金板中的裂纹损伤部位进行了初定位,并且预测了裂纹长度与偏转角度。预测结果与实际结果存在偏差,可能是由于采用线切割方式预制的中心裂纹与实际裂纹相比,两者在几何结构上存在差异,裂纹引起的非线性效应是接触非线性响应,几何结构的不同可能导致界面碰撞方式的改变从而引起测试偏差。