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高温构件早期损伤的非线性超声导波评价方法研究

项延训  
【摘要】:高温损伤是石油、化工、电力等工业领域关键设备安全运行的潜在威胁,研究建立其早期损伤检测和评价的科学手段具有重要工程价值。近几年研究表明,材料损伤程度与超声波的非线性效应关系密切,会明显引起超声非线性谐波的产生,相关研究受到研究者越来越多的关注。与超声纵波相比,超声导波更适合于板状或大口径管状金属构件的长距离检测和评价,且具有在构件单侧进行信号激发和接收的优点,因此受到越来越多的重视,并在相关理论研究方面取得重要进展。近几年来,由于非线性超声导波如板材中的非线性兰姆波具有频散性,即传播速度与频率相关,使得其在实验及应用基础方面的研究还相对滞后。因此,进一步探索非线性超声导波与构件/材料高温损伤之间的理论关系及实验测量有望为大型构件早期损伤检测和预警提供一种新的无损评价方法。 本文针对高温构件的早期损伤,提出应用非线性超声导波(兰姆波)对构件的损伤进行测量和评价,从理论上深入研究非线性超声导波在复杂合金材料中的传播特性及声场分布,并从材料微观结构损伤演化的过程去分析二者之间的关系,进而形成了实验测量和损伤剩余寿命的评价方法。文章研究内容和结果主要包括: (1)对非线性超声导波(兰姆波)在两层固体介质(如梯度材料)中传播时产生二次谐波的情况进行了分析,采用界面声非线性反射方法-导波模式展开分析相结合的方法,得到了一般性的二次谐波声场解析解。数值计算结果表明:所建立的解析解便于数值计算和模式选择,能为实际测量提供一些重要参数,如兰姆波二次谐波积累增长最大传播距离、不同相速度相对偏差值对兰姆波二次谐波的影响等。通过在HP40Nb复杂合金材料中测量非线性兰姆波的幅值,来验证相速度相对偏差值的变化对兰姆波二次谐波激发的影响,实验测量结果和理论数值计算结果之间有着较好的一致性。 (2)根据界面声非线性反射-导波模式展开分析相结合方法得到的兰姆波二次谐波声场解析解,并结合位错单极模型,构建了介质微观组织结构与非线性超声兰姆波相互作用的理论模型。在这个理论模型中,首次将表征材料微观组织结构变化的参数引入到非线性超声兰姆波的声场解析解表达式中,为实现介质微观组织结构变化后非线性超声兰姆波幅值变化的理论计算和分析奠定了理论基础。 (3)对高温热损伤的Fe-Cr-Ni合金不锈钢(HP40Nb材料)进行了非线性兰姆波测量研究,得到了归一化导波声非线性参量随着高温热损伤时间而变化的关系曲线,发现曲线呈现出“上升-平稳-下降”的变化趋势。对不同损伤程度HP40Nb试样的微观组织演化进行了分析,从微观组织变化的角度解释了非线性兰姆波变化的原因。结果表明:归一化导波声非线性参量在初期呈现上升趋势是因为第二相的不断析出,而下降则与基体中位错的变化及显微孔洞的形成相关。HP40Nb材料在不同损伤状态下的硬度变化和归一化导波声非线性参量之间存在很好的一致性,这也说明采用非线性超声导波测量可以在一定程度上表征出材料力学性能的变化状态。 (4)进行了实验室钛合金Ti60材料的高温蠕变试验,通过对损伤试样的测量获得了蠕变损伤与归一化兰姆波声非线性参量之间的关系。研究表明:归一化兰姆波声非线性参量随着蠕变损伤呈现出“上升-下降”的变化趋势,非线性参量最大值出现在蠕变寿命63%左右的阶段。对Ti60蠕变试样的微观组织演化进行了分析,结果表明:Ti60合金在早期高温蠕变加载下,基体中析出相的析出和长大使材料非线性加剧,同时基体内位错密度逐渐增大,位错环长度发生变化,这些微观组织的变化导致归一化声非线性参量单调上升。随着蠕变加载的继续,Ti60试样内部的析出相逐渐稳定,基体和析出相晶界处显微孔洞的产生及聚集、位错密度及位错环长度的相应变化,导致了非线性兰姆波幅值出现下降趋势。采用非线性兰姆波与介质微观组织相互作用的模型进行理论计算,结果表明理论计算值和实验测量值之间存在较好的一致性。 (5)构建了材料蠕变剩余寿命非线性兰姆波的无损评价方法。采用中断性蠕变试验方法得到了归一化兰姆波声非线性参量与材料蠕变寿命之间的关系曲线,利用该曲线作为损伤试样的定标曲线。两组实例结果表明:利用非线性兰姆波二次谐波与蠕变损伤寿命之间的定标曲线来定量无损评价材料蠕变剩余寿命,能够达到快速和有效的评价效果,实验误差能够满足工程要求。


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