一種板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬材料，如奧氏體不銹鋼、鈦合金、鎳基合金等金屬材料被廣泛應(yīng)用于石化、航 空、電力、核電等諸多領(lǐng)域。由這些材料制造的部件一般在苛刻的環(huán)境下工作，如在高溫下 長期運行，這些部件將不可避免的會發(fā)生高溫蠕變損傷，引起材料的力學(xué)性能及物理性能 的變化，為安全生產(chǎn)埋下隱患，因此對這些在役設(shè)備或部件進(jìn)行健康監(jiān)測和檢測以得到其 剩余壽命就顯得尤為必要和緊迫。如何實現(xiàn)對金屬材料高溫蠕變損傷進(jìn)行快速和有效的安 全檢測以及剩余壽命定量預(yù)測仍然是一個亟待解決的重要課題。
[0003] 傳統(tǒng)的蠕變試驗?zāi)軌颢@得蠕變應(yīng)變率、蠕變強度、持久強度等材料蠕變性能的參 數(shù)，這些參數(shù)可作為預(yù)測材料使用壽命的依據(jù)。但是傳統(tǒng)的蠕變試驗需要在服役設(shè)備上獲 取比較大的試樣，取樣后還需在取樣部位進(jìn)行焊接修補，這種修補會對設(shè)備的整體性能產(chǎn) 生相當(dāng)不利的影響，而且這些蠕變實驗的材料只能從結(jié)構(gòu)的局部范圍內(nèi)取得，即基于有限 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，不能反映構(gòu)件整體力學(xué)性能，而且過多的采樣又會造成分析過程耗時 費力，不利于快速檢測分析。此外，蠕變試驗取樣范圍一般只能在表面部分進(jìn)行，不能反映 出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實際損傷狀態(tài)?，F(xiàn)有的用于金屬材料蠕變損傷的無損檢測或評價技術(shù)主要 有：磁性檢測技術(shù)、小角度中子散射技術(shù)、表面復(fù)膜技術(shù)、渦流檢測等技術(shù)等。磁檢測技術(shù)的 缺點在于只能適用于鐵磁性金屬材料，而對于很多高溫下使用的非鐵磁性合金材料來說， 檢測效果并不理想。小角度中子散射技術(shù)的缺點在于設(shè)備龐大，不利于便攜式，只適用于在 實驗室分析。表面復(fù)膜技術(shù)通常需要在設(shè)備上取很多不同的實驗點和不同的打磨深度來獲 知更加可靠和準(zhǔn)確的蠕變損傷引起的材料微觀結(jié)構(gòu)變化狀態(tài)。同時，這個方法比較依賴于 個人的經(jīng)驗判斷，實驗分析也是非常耗時費力。渦流檢測一般也只是適用于材料表面狀態(tài) 的檢測和評價。
[0004] 目前，已經(jīng)有文獻(xiàn)和專利提出采用非線性超聲縱波技術(shù)無損評價金屬材料蠕變損 傷的狀態(tài)。但是，該技術(shù)的局限性一般有兩點：（1)用于縱波激發(fā)和接收的超聲換能器只能 分別被布置在待測構(gòu)件/材料的兩側(cè)，這種布置方法并不能適用于封閉狀態(tài)下構(gòu)件/材料 的檢測，如封閉的管道等；（2)非線性超聲縱波檢測技術(shù)一般適用于厚度大于5_的構(gòu)件/ 材料，通常對于厚度小于5mm的薄板狀構(gòu)件無能為力。由此可見，目前的無損檢測技術(shù)和方 法還未能有效的、快速的達(dá)到無損評價板狀金屬構(gòu)件/材料蠕變損傷的目的，尤其是還未 能定量預(yù)測板狀材料的剩余壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種板狀金屬構(gòu)件/材料剩 余壽命的無損檢測和評價方法，以利用非線性超聲Lamb波定量無損預(yù)測板狀金屬構(gòu)件/材 料的剩余壽命。
[0006] 本發(fā)明所述的一種板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法，其包括 以下步驟：
[0007] 步驟S1，選擇與待測板狀金屬構(gòu)件/材料材質(zhì)相同的原材料試樣作為未損傷試 樣，利用加速蠕變實驗制作N個蠕變損傷程度不同的試樣；
[0008]步驟S2,對所述未損傷試樣進(jìn)行超聲Lamb波二次諧波的測量，包括：
[0009] 步驟S21，根據(jù)所述待測板狀金屬構(gòu)件/材料的厚度、密度、楊氏模量、聲速獲得所 述待測板狀金屬構(gòu)件/材料的板中Lamb波頻散曲線；
[0010] 步驟S22,根據(jù)所述板中Lamb波頻散曲線，基于基頻Lamb波的相速度和二倍頻 Lamb波的相速度相等的原則，選擇相應(yīng)的基頻Lamb波模式作為檢測激發(fā)模式，并由該檢測 激發(fā)模式確定對應(yīng)的激發(fā)頻率以及激發(fā)相速度；
[0011] 步驟S23,將所述未損傷試樣的上表面分別與基頻超聲換能器以及二次諧波超聲 換能器相耦合，并根據(jù)所述激發(fā)頻率和激發(fā)相速度確定所述基頻超聲換能器以及二次諧波 超聲換能器的頻率；
[0012] 步驟S24,由基頻信號發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生一個基頻信號，并采用該基頻信號激勵所述基 頻超聲換能器在所述未損傷試樣中產(chǎn)生基頻Lamb波聲振動波，以通過使該基頻Lamb波聲 振動波在所述未損傷試樣中傳播而在其內(nèi)部產(chǎn)生超聲Lamb波二次諧波，然后通過所述二 次諧波超聲換能器接收并將在所述未損傷試樣中傳播的所述基頻Lamb波聲振動波和超聲 Lamb波二次諧波轉(zhuǎn)換成電壓信號以在數(shù)字示波器上顯示，并通過快速傅立葉變換獲得基頻 Lamb波的幅值A(chǔ)1以及Lamb波二次諧波的幅值A(chǔ)2;
[0013] 步驟S25,計算所述未損傷試樣中的等效非線性參量爲(wèi)=為/為2
[0014] 步驟S3,重復(fù)執(zhí)行所述步驟S2,對所述N個蠕變損傷程度不同的試樣進(jìn)行超聲 Lamb波二次諧波的測量，以得到N個相應(yīng)的基頻Lamb波的幅值A(chǔ)1以及Lamb波二次諧波的 幅值A(chǔ)2;計算N個試樣中的等效非線性參量0 1~0N;計算0 。，其中i= 1~N，得到 超聲Lamb波二次諧波歸一化值；根據(jù)N個試樣的所述加速蠕變實驗采用的加載時間與相應(yīng) 的0i/ 0 〇值得到金屬構(gòu)件/材料剩余壽命時間分?jǐn)?shù)與超聲Lamb波二次諧波歸一化值之間 的關(guān)系曲線；
[0015] 步驟S4,重復(fù)執(zhí)行所述步驟S2,對所述待測板狀金屬構(gòu)件/材料進(jìn)行超聲Lamb波 二次諧波的測量，以得到所述待測板狀金屬構(gòu)件/材料的基頻Lamb波的幅值A(chǔ)1以及Lamb 波二次諧波的幅值A(chǔ)2;計算所述待測板狀金屬構(gòu)件/材料的等效非線性參量0 ,并進(jìn)行歸 一化處理，得到歸一化值Pd/ 0。；
[0016] 步驟S5，在所述金屬構(gòu)件/材料剩余壽命時間分?jǐn)?shù)與超聲Lamb波二次諧波歸一化 值之間的關(guān)系曲線上獲取所述歸一化值所對應(yīng)的剩余壽命分?jǐn)?shù)；最后根據(jù)所述剩 余壽命分?jǐn)?shù)和所述待測板狀金屬構(gòu)件/材料的加載時間，預(yù)測該待測板狀金屬構(gòu)件/材料 的剩余壽命時間。
[0017] 在上述的板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法中，N多8。
[0018] 在上述的板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法中，所述加速懦變 實驗的溫度和所述待測板狀金屬構(gòu)件/材料所處的工況溫度相同，所述加速蠕變實驗中加 載到試樣上的應(yīng)力大于待測板狀金屬構(gòu)件/材料所處的工況應(yīng)力，所述加速蠕變實驗中的 試樣斷裂時間大于1〇〇小時。
[0019] 在上述的板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法中，所述N個蠕變 損傷程度不同的試樣為連續(xù)性蠕變實驗得到的試樣，或者為中斷性蠕變實驗得到的試樣。
[0020] 在上述的板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法中，所述基頻超聲 換能器和二次諧波超聲換能器采用鈮酸鋰、石英或壓電陶瓷材料制成，基頻< 10兆赫茲， 所述二次諧波超聲換能器為寬帶，用于接收基頻信號。
[0021] 在上述的板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法中，所述基頻信號 發(fā)生系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器與濾波器。
[0022] 在上述的板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法中，所述金屬構(gòu)件 /材料剩余壽命時間分?jǐn)?shù)與超聲Lamb波二次諧波歸一化值之間的關(guān)系曲線為單調(diào)遞增曲 線、單調(diào)遞減曲線、單峰曲線或單谷曲線。
[0023] 在上述的板狀金屬構(gòu)件/材料剩余壽命的無損檢測和評價方法中，所述待測板狀 金屬構(gòu)件/材料的加載時間為已知的服役時間。
[0024] 由于采用了上述的技術(shù)解決方案，與現(xiàn)有的非線性超聲縱波技術(shù)相比較，本發(fā)明 中采用的非線性超聲Lamb波（即一種薄板中的非線性超聲導(dǎo)波）的探測能覆蓋整個薄板 狀構(gòu)件的表面，從而實現(xiàn)對在役板狀金屬構(gòu)件/材料部件的蠕變損傷進(jìn)行檢測和評價，快 速、有效預(yù)測在役部件的剩余壽命，為板狀金屬構(gòu)件/材料的安全服役提供可靠的依據(jù)，并 且本發(fā)明中采用的內(nèi)部、激發(fā)和接收的超聲換能器能布置在待測構(gòu)件/材料的同一側(cè)，從 而能廣泛適用于對封閉狀態(tài)下的構(gòu)件/材料進(jìn)行檢測。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明中板中Lamb波頻散曲線的示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明中超聲Lamb波二次諧波的實驗測量示意圖；
[0027]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例得到的板狀鈦合金Ti60蠕變損傷剩余壽命時間分?jǐn)?shù)（t/ 心）和超聲Lamb波二次諧波歸一化值（0/13。）之間的關(guān)系曲線圖。
【具體實施方式】