一种板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法。
【背景技术】
[0002] 金属材料，如奥氏体不锈钢、钛合金、镍基合金等金属材料被广泛应用于石化、航 空、电力、核电等诸多领域。由这些材料制造的部件一般在苛刻的环境下工作，如在高温下 长期运行，这些部件将不可避免的会发生高温蠕变损伤，引起材料的力学性能及物理性能 的变化，为安全生产埋下隐患，因此对这些在役设备或部件进行健康监测和检测以得到其 剩余寿命就显得尤为必要和紧迫。如何实现对金属材料高温蠕变损伤进行快速和有效的安 全检测以及剩余寿命定量预测仍然是一个亟待解决的重要课题。
[0003] 传统的蠕变试验能够获得蠕变应变率、蠕变强度、持久强度等材料蠕变性能的参 数，这些参数可作为预测材料使用寿命的依据。但是传统的蠕变试验需要在服役设备上获 取比较大的试样，取样后还需在取样部位进行焊接修补，这种修补会对设备的整体性能产 生相当不利的影响，而且这些蠕变实验的材料只能从结构的局部范围内取得，即基于有限 的统计数据基础上，不能反映构件整体力学性能，而且过多的采样又会造成分析过程耗时 费力，不利于快速检测分析。此外，蠕变试验取样范围一般只能在表面部分进行，不能反映 出结构内部的实际损伤状态。现有的用于金属材料蠕变损伤的无损检测或评价技术主要 有：磁性检测技术、小角度中子散射技术、表面复膜技术、涡流检测等技术等。磁检测技术的 缺点在于只能适用于铁磁性金属材料，而对于很多高温下使用的非铁磁性合金材料来说， 检测效果并不理想。小角度中子散射技术的缺点在于设备庞大，不利于便携式，只适用于在 实验室分析。表面复膜技术通常需要在设备上取很多不同的实验点和不同的打磨深度来获 知更加可靠和准确的蠕变损伤引起的材料微观结构变化状态。同时，这个方法比较依赖于 个人的经验判断，实验分析也是非常耗时费力。涡流检测一般也只是适用于材料表面状态 的检测和评价。
[0004] 目前，已经有文献和专利提出采用非线性超声纵波技术无损评价金属材料蠕变损 伤的状态。但是，该技术的局限性一般有两点：（1)用于纵波激发和接收的超声换能器只能 分别被布置在待测构件/材料的两侧，这种布置方法并不能适用于封闭状态下构件/材料 的检测，如封闭的管道等；（2)非线性超声纵波检测技术一般适用于厚度大于5_的构件/ 材料，通常对于厚度小于5mm的薄板状构件无能为力。由此可见，目前的无损检测技术和方 法还未能有效的、快速的达到无损评价板状金属构件/材料蠕变损伤的目的，尤其是还未 能定量预测板状材料的剩余寿命。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种板状金属构件/材料剩 余寿命的无损检测和评价方法，以利用非线性超声Lamb波定量无损预测板状金属构件/材 料的剩余寿命。
[0006] 本发明所述的一种板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其包括 以下步骤：
[0007] 步骤S1，选择与待测板状金属构件/材料材质相同的原材料试样作为未损伤试 样，利用加速蠕变实验制作N个蠕变损伤程度不同的试样；
[0008]步骤S2,对所述未损伤试样进行超声Lamb波二次谐波的测量，包括：
[0009] 步骤S21，根据所述待测板状金属构件/材料的厚度、密度、杨氏模量、声速获得所 述待测板状金属构件/材料的板中Lamb波频散曲线；
[0010] 步骤S22,根据所述板中Lamb波频散曲线，基于基频Lamb波的相速度和二倍频 Lamb波的相速度相等的原则，选择相应的基频Lamb波模式作为检测激发模式，并由该检测 激发模式确定对应的激发频率以及激发相速度；
[0011] 步骤S23,将所述未损伤试样的上表面分别与基频超声换能器以及二次谐波超声 换能器相耦合，并根据所述激发频率和激发相速度确定所述基频超声换能器以及二次谐波 超声换能器的频率；
[0012] 步骤S24,由基频信号发生系统产生一个基频信号，并采用该基频信号激励所述基 频超声换能器在所述未损伤试样中产生基频Lamb波声振动波，以通过使该基频Lamb波声 振动波在所述未损伤试样中传播而在其内部产生超声Lamb波二次谐波，然后通过所述二 次谐波超声换能器接收并将在所述未损伤试样中传播的所述基频Lamb波声振动波和超声 Lamb波二次谐波转换成电压信号以在数字示波器上显示，并通过快速傅立叶变换获得基频 Lamb波的幅值A1以及Lamb波二次谐波的幅值A2;
[0013] 步骤S25,计算所述未损伤试样中的等效非线性参量爲=為/為2
[0014] 步骤S3,重复执行所述步骤S2,对所述N个蠕变损伤程度不同的试样进行超声 Lamb波二次谐波的测量，以得到N个相应的基频Lamb波的幅值A1以及Lamb波二次谐波的 幅值A2;计算N个试样中的等效非线性参量0 1~0N;计算0 。，其中i= 1~N，得到 超声Lamb波二次谐波归一化值；根据N个试样的所述加速蠕变实验采用的加载时间与相应 的0i/ 0 〇值得到金属构件/材料剩余寿命时间分数与超声Lamb波二次谐波归一化值之间 的关系曲线；
[0015] 步骤S4,重复执行所述步骤S2,对所述待测板状金属构件/材料进行超声Lamb波 二次谐波的测量，以得到所述待测板状金属构件/材料的基频Lamb波的幅值A1以及Lamb 波二次谐波的幅值A2;计算所述待测板状金属构件/材料的等效非线性参量0 ,并进行归 一化处理，得到归一化值Pd/ 0。；
[0016] 步骤S5，在所述金属构件/材料剩余寿命时间分数与超声Lamb波二次谐波归一化 值之间的关系曲线上获取所述归一化值所对应的剩余寿命分数；最后根据所述剩 余寿命分数和所述待测板状金属构件/材料的加载时间，预测该待测板状金属构件/材料 的剩余寿命时间。
[0017] 在上述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法中，N多8。
[0018] 在上述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法中，所述加速懦变 实验的温度和所述待测板状金属构件/材料所处的工况温度相同，所述加速蠕变实验中加 载到试样上的应力大于待测板状金属构件/材料所处的工况应力，所述加速蠕变实验中的 试样断裂时间大于1〇〇小时。
[0019] 在上述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法中，所述N个蠕变 损伤程度不同的试样为连续性蠕变实验得到的试样，或者为中断性蠕变实验得到的试样。
[0020] 在上述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法中，所述基频超声 换能器和二次谐波超声换能器采用铌酸锂、石英或压电陶瓷材料制成，基频< 10兆赫兹， 所述二次谐波超声换能器为宽带，用于接收基频信号。
[0021] 在上述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法中，所述基频信号 发生系统包括信号发生器、功率放大器与滤波器。
[0022] 在上述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法中，所述金属构件 /材料剩余寿命时间分数与超声Lamb波二次谐波归一化值之间的关系曲线为单调递增曲 线、单调递减曲线、单峰曲线或单谷曲线。
[0023] 在上述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法中，所述待测板状 金属构件/材料的加载时间为已知的服役时间。
[0024] 由于采用了上述的技术解决方案，与现有的非线性超声纵波技术相比较，本发明 中采用的非线性超声Lamb波（即一种薄板中的非线性超声导波）的探测能覆盖整个薄板 状构件的表面，从而实现对在役板状金属构件/材料部件的蠕变损伤进行检测和评价，快 速、有效预测在役部件的剩余寿命，为板状金属构件/材料的安全服役提供可靠的依据，并 且本发明中采用的内部、激发和接收的超声换能器能布置在待测构件/材料的同一侧，从 而能广泛适用于对封闭状态下的构件/材料进行检测。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明中板中Lamb波频散曲线的示意图；
[0026] 图2是本发明中超声Lamb波二次谐波的实验测量示意图；
[0027]图3是根据本发明实施例得到的板状钛合金Ti60蠕变损伤剩余寿命时间分数（t/ 心）和超声Lamb波二次谐波归一化值（0/13。）之间的关系曲线图。
【具体实施方式】