材料组织损伤与缺陷的电磁及超声导波检测方法研究

发布时间：2019-11-02 02:13

【摘要】：在航空航天、石油化工、发电等工业领域广泛应用的高温设备／构件会因长期服役或制造工艺而产生组织损伤及缺陷。损伤及缺陷随着服役时间不断发展将最终导致构件的失效,严重时甚至引发灾难性的事故。在过去几十年,为了保障构件的安全运行,基于电磁和超声的无损检测和结构健康监测技术得到了广泛关注。但是由于缺乏检测信号与损伤／缺陷的准确关联及评定方法,这些技术的可靠性一直颇受争议。本研究主要针对构件内材料组织损伤,分析了材料微观组织演化与磁学性能的变化规律,建立了相关的预测模型,并通过试验验证了该模型的有效性；其次为了精确检出结构中的缺陷,研究了构件内部缺陷与超声波(Rayleigh与Lamb波)之间的相互作用,基于模式分解法和有限元模拟,结合试验定量分析了超声波在裂纹处发生的散射现象。主要研究内容和结论如下：(1)对高温构件常用材料的微观组织演化对磁畴结构的影响进行了观测和分析。通过试验测得10CrMo910、P91及23CrMoNiWV88三种材料的居里点温度,使用振动样品磁强计(VSM)研究了其在服役温度下磁学性能的变化。进而分析探讨了磁滞回线Jiles-Atherton (J-A)模型,并且使用基于量子行为的粒子群算法(QB-PSO)拟合获得了模型中的五个参数。结果表明材料晶粒尺寸的变化控制磁畴尺寸的变化,晶界的存在和二次相都会使磁畴的分布发生变化,同时位错密度的变化也会对磁畴结构的尺寸和分布产生影响。三种材料在其服役温度下都保留了很好的磁滞特性,所以基于磁滞的无损检测方法具有开发成为高温构件蠕变损伤实时在线监测技术的潜力。(2)针对早期蠕变过程中材料微观组织的演化,考虑其对畴壁运动的钉扎作用,对J-A模型进行了修正。使用VSM测试了短时蠕变试样的磁学性能,同时分别使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观测了试样经过蠕变后微观组织的演化,定量计算了不同蠕变试样的了晶粒尺度、位错密度和析出物的数量。发现使用QB-PSO算法拟合蠕变试样的磁滞回线所得到的J-A模型参数与使用定量金相法计算相应蠕变试样晶粒尺寸、位错密度及析出物的变化代入修正模型所得的参数保持了很好的一致性。若不修正模型直接计算得到的结果与试验值相差50倍以上。此外对含早期蠕变损伤的试样进行了次磁滞回线检测,计算出了相应的次磁滞回线系数。结果表明,次磁滞回线系数可反映材料内部潜在缺陷,且随着蠕变寿命系数的增大而持续减小。(3)使用精度更高的超导量子干涉器件振动样品磁强计(SQUID-VSM)测试了紧凑拉伸(CT)蠕变试样上不同区域的磁滞特性。使用有限元模拟和显微金相观测方法,分析了蠕变损伤与磁学信号之间的关系。结果发现蠕变空洞对材料矫顽力和剩磁的影响十分严重。研究了不同蠕变机制下蠕变空洞长大对材料畴壁运动的影响,进而修正了J-A模型,并基于该模型分析了不同应力状态、不同蠕变机制下材料的磁滞特性,并与服役材料检测试验结果进行了对比。结果表明,应力多轴度越大,对磁滞特性的削弱能力就会越强；修正的J-A模型可以准确地预测扩散和幂率蠕变控制机制下材料磁滞特性的变化规律。(4)使用模式分解法分别研究了不同频率下超声Rayleigh及Lamb波和裂纹之间的相互作用。在裂纹的前端和尾端分别根据界面上连续性条件建立了入射、反射和透射波各模式的位移和面力场的方程,并使用最小二乘法获得了基于能量的散射系数。使用有限元分别模拟了在铝板中传播的Rayleigh波和Lamb波与裂纹之间的相互作用,采用时间窗口和二维傅里叶变换提取了不同模式的振幅从而计算了散射系数,并且与模式分解法的计算结果进行对比。同时采用实验室内的超声检测系统对同样尺寸和材料的含裂纹铝板进行了检测,将传感器接收到的信号与有限元模拟的信号进行了对比。结果发现,有限元模拟计算的散射系数与模式分解法计算的结果取得了非常好的一致性。试验测得的信号与有限元计算的信号十分吻合,再次证明了模式分解法计算的有效性。结合裂纹前端和尾端各个模式的散射系数,就可定量地分析缺陷对构件中超声信号的影响。同时发现在特定频率区间(300-500kHz),可通过检测高阶反对称Lamb波直接辨识构件内的缺陷；上述这些算法都可被集成在基于超声的缺陷检测技术中,从而实现构件缺陷的高效、可靠检测。
【图文】：

位错结构,微裂,不同尺度,析出物

束空洞长大机制、动态亚晶粗化机制、及位错增加机制ｆ７，邋Ｗ。热诱导损伤下主要有材料逡逑颗粒粗化及固溶元素的损耗Ｒ邋Ｗ。环境诱导损伤下则有内部氧化及表面腐蚀开裂机制逡逑ｔＷ。图１．１展示了不同尺度的蠕变损伤可Ｗ看出二次相析出和位错的尺寸基本在逡逑１０至ｌＯＯｍｎ，而长大的蠕变空洞尺寸一般在１至１０＾ｍｌ之内，当蠕变空洞联结后形成微逡逑

变损,参量,检测系统,归一化

同时使用钦合金材料分别进行了蠕变试验，通过材料微观组织定量金相法计算出了逡逑材料蠕变后位错密度及析出物的体积分数。进而代入非线性参量计算公式得到了其实验逡逑值，经对比发现理论值与实验值有很好的一致性，，如图１．２所示。之后还用这种方法对逡逑正在进行蠕变试验的材料进行了蠕变寿命评估。与最终的试验时间进行对比，发现预测逡逑的误差都在１５％Ｗ内。不过此项研究中的蠕变试验时间普遍较短，与现场服役构件的真逡逑实蠕变情况有所不同，所Ｗ还需更长时间的蠕变试验进而验证结果的普遍性。另外，非逡逑线性参量这种随蠕变时间非单调的变他规律也可能会为今后的操作人员造成不小的麻逡逑烦，需要有经验的操作人员根据情况准确地判断材料的服役情况。逡逑逦ＩＩ逦，逦Ｉ逦］逦ｇ逦？邋Ａ邋ＨｘｐｅｎｍRG化Ｉ邋ｄａｔａ逡逑＼邋ＲｌｔｅＣ－ＳＮＡＰ邋／—Ａ邋ｐｆ逦受！－２邋￣邋孩邋Ｔｈｅｏｒｅ化’ａｌ邋ｄａｌａ邋（汾！ｉｄ邋ｌｉｎｅ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎ怯邋ｆｉｔｌｉｎｇｃｕｒｖｅ）逡逑化ｃｕｉｏｓｃｏｐｅ邋Ｗ邋＿逦５０００逦－邋Ｗ逦逦｜邋ｕ邋：逡逑——，＿Ｊ逦Ｉ．
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG115.28

【参考文献】