Q245R钢细观损伤在线声学测试实验研究

发布时间：2020-06-17 23:29

【摘要】：在实际工业生产中,大多数压力容器等设备的损伤失效是由长期服役于高压、重载环境而引起的材料内部组织早期细观损伤演化所致。细观损伤的出现会使材料内部的组织和力学性能发生劣化,致使材料的承载能力降低,严重时会影响工业生产效率甚至诱发灾难性事故。因此,开展有效的检测方法来探究容器用钢在承载作用下的细观损伤演化机理,实现材料损伤的早期检出对于设备的长周期安全运行和事故的预防具有重要的意义。本文以压力容器常用钢Q245R钢为研究对象,采用声发射技术和非线性超声技术,对Q245R钢双边“V”型缺口试件的拉伸损伤过程进行在线检测。分析试件拉伸损伤过程的声发射特性和非线性超声特性,探究金属材料的细观损伤演化规律,为材料损伤的早期发现提供一种有效的方法。主要内容概括如下:(1)结合金属材料的细观损伤演化机理和瞬态应力波释放理论,分析得知位错运动是材料细观损伤过程的典型声发射源产生机制。依据位错运动建立损伤与声发射特征参数N间的联系,结果发现,随着材料受载的增大,位错运动加剧,损伤愈加严重,N值不断增加;(2)依据金属材料的细观损伤演化机理和非线性超声的理论基础,分析得知位错结构演化是材料细观损伤过程产生超声非线性响应的主要机制,超声非线性系数β能够表征超声非线性响应的强弱。基于位错弦理论建立损伤与β值间的联系,结果发现,随着载荷的增大,位错运动加剧,材料损伤加重,β值不断增加;(3)采用声发射技术对试件的拉伸损伤过程进行在线监测,综合运用声发射参数分析法和时频分析法对试件拉伸损伤不同阶段的声发射特性进行分析。结果表明,不同的拉伸损伤阶段声发射信号特征不同。在弹性变形阶段,试件内部损伤较弱,损伤模式单一,声发射特征表现为信号活性和强度较小;屈服和强化阶段,试件损伤严重,损伤机制复杂多样,声发射信号活性和强度显著增大。(4)采用非线性超声技术对试件的拉伸损伤过程进行在线测试,计算试件在不同载荷下不同位置的β值。分析β值的变化规律得知:随着载荷的增加,各测试点β值均呈现增加的趋势,弹性变形阶段,试件损伤较弱,β值缓慢增加;塑性损伤阶段,试件损伤严重,β值快速增加。不同位置β值变化规律表明,缺口位置损伤最为严重,β值增长幅度最大,随着与缺口距离的增加,所受应力减小,损伤程度减弱,β值增长幅度减小;(5)选取声发射累积撞击计数N_h为声发射表征参量,以不同载荷下的N_h值与极限载荷下的N_h值的比值定义损伤因子D。分别在弹性变形和塑性损伤阶段对N_h值与载荷间的关系进行数值拟合,联立拟合公式计算试件的屈服载荷,得到试件在弹性变形阶段和塑性损伤阶段D的取值范围,利用D值实现材料损伤的声发射量化表征;(6)选取超声非线性系数β为非线性超声表征参量,以不同载荷下的β值与极限载荷下的β值的比值定义损伤因子D’。分别在弹性变形和塑性损伤阶段对β值与载荷间的关系进行数值拟合,联立拟合公式计算试件的屈服载荷,得到试件在弹性变形阶段和塑性损伤阶段D’的取值范围,利用D’值实现材料损伤的非线性超声量化表征;(7)对声发射测试得到的屈服载荷值,非线性超声测试得到的屈服载荷值与试件的名义屈服强度值进行比较,结合声发射和非线性超声技术的测试机理,进一步认识材料的细观损伤演化规律,为金属材料早期损伤的发现提供一种新的测试方法。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.15
【图文】：

示意图,刃型位错,晶体,金属材料

化过程中必然伴随着_>性应力波的释放和高次谐波的产生，因此，可以采用声发射技术监测金属材料损伤全过程产生的声源信号，采用非线性超声检测技术测试金属材料损伤过程中因应力变化而引起的损伤状态的变化，从损伤的过程和状态角度对金属材料的损伤情况进行分析，揭示金属材料细观损伤演化机理。2.2 金属材料的细观损伤演化机理金属材料在应力作用下的塑性变形和裂纹扩展，是结构损伤失效的重要机制[39]。金属材料在静载荷的作用下会产生弹性变形、塑性变形和断裂三种不同的损伤失效形式，在多数情况下，塑性变形是导致金属材料损伤失效的主要因素，当塑性变形进行到一定程度时，材料内部产生微裂纹，并在持续载荷的作用下裂纹不断扩展直至断裂[40-41]。本文着重从塑性变形和裂纹扩展断裂两种损伤阶段来描述金属材料细观损伤演化机理。2.2.1 塑性变形过程当试件所受载荷增加到一定数值后再卸载时，试件发生的变形不能完全消失，这时材料进入塑性变形阶段。塑性变形的主要方式是滑移和孪生，晶体的滑移是通过位错逐步地移动来完成的[42]。晶体通过刃型位错的滑移运动过程示意图如图 2.1 所示。

示意图,韧性金属材料,裂纹形成,单轴拉伸

滑移面垂直位置进行攀移，是能量急剧释放的主要诱因。2.2.2 裂纹扩展断裂过程金属试件在断裂前按是否发生明显的塑性变形及断裂过程消耗能量的多少可分韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂是一种缓慢的撕裂过程，过程中消耗能量，断裂部位现明显的颈缩状的局部塑性变形；脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前不发生塑性变相比于塑性变形更加危险。现阶段，随着研究手段的不断进步，人们对于细观损伤过的研究主要基于细观理论。细观理论从材料内部微观组织上的位错出发，研究位错的化及裂纹的形成过程，已成为细观损伤研究的热点。韧性金属材料裂纹扩展断裂过程如图 2.2 所示。缩颈开始时缩颈部位形成一个不尖锐的小型环状缺口，试件原先受到的均匀轴向拉应力状态被破坏，形成三项拉应力态；当颈内部三向应力达到一定程度时，试件中间部位夹杂等二相粒子破碎或质点与体分离，产生很多细小的孔洞；随着损伤的不断演化，微孔长大，聚合成微裂纹；微纹在应力作用下还沿着与力轴垂直的方向撕裂扩展，横向裂纹在剪切变形带内形成大，与裂纹连接成锯齿状，构成杯锥状底部的断口，裂纹扩展是一个相对缓慢的过程由于裂纹的不断产生扩展，最后试件边缘沿着最大切应力方向快速断裂。

【参考文献】