万小时，甚至数十万小时。因此，为了缩短模拟待测的在役金属构件/材料 的最终断裂时间，在制作模拟待测的在役金属构件/材料时选择的加载应力比实际工况应 力高一些，在本例中选择的模拟工况应力为280MPa。
[0047]在此温度和应力下，先将模拟待测的在役试样加载101小时，然后停止加载，取出 模拟待测的在役试样后进行超声Lamb波A4模式的测量，得到Pd/P。= 4. 17,在图3中的 纵坐标上找到数值为4. 17的点，其对应的横坐标蠕变剩余寿命时间分数为0. 312 (如图3 中虚线所示）。这样表明了该模拟待测的在役试样在经过101小时的服役后，其损伤量为整 体寿命的0. 312,由此可以推导得出该模拟待测的在役试样的全部寿命约为101/0. 312 = 323. 7小时。因此，该模拟待测的在役试样的剩余寿命应该还有323. 7-101 = 222. 7小时。
[0048] 为了验证上述试样的最终服役寿命，可以把该中断试样接着进行加载，温度为 600°C，加载应力为280MPa，直至试样断裂，得到试样的后续加载时间为213小时。由此可以 得知采用该方法预测剩余寿命的误差大约为（222. 7-213)/222. 7 = 4. 5%。实验结果表明 利用超声Lamb波二次谐波定量无损预测金属构件/材料剩余寿命的方法是可行的，实验误 差能够满足工程要求。
[0049] 另外，如本领域技术人员可知，本发明中的N个蠕变损伤程度不同的试样可以采 用连续性蠕变实验得到的试样：即对试样进行连续的蠕变加载，达到相应的蠕变时间分数 时即可取出试样进行超声测量；或者采用中断性蠕变实验得到的试样：对同一个试样进行 蠕变加载，每得到一固定加载时间分数后就取出试样进行超声测量，待测量完成后再放回 蠕变试验机继续加载，如此重复，直至试样蠕变断裂。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除单峰曲线外，还可以为单调递增曲 线、单调递减曲线、或单谷曲线。以上实施例中基频信号发生系统1产生一个频率为5. 03 兆赫兹的Lamb波A4模式，当满足Lamb波相速度频散曲线和Lamb波激发关系，激发形成的 其他Lamb模式也可完成本发明的技术方案。
[0050] 综上所述，本发明能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，检测速度快，对在役设备不会造成破坏，检测成本低，且检测准确度高，误差能够满足工 程要求；检测范围覆盖金属构件的表面及内部，尤其适合跟踪金属构件/材料早期、中期的 蠕变损伤或者疲劳损伤，本发明能够快速地、有效地检测和评价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。
[0051] 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上 述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的 简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为 常规技术内容。
【主权项】
1. 一种板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特征在于，所述方法 包括以下步骤： 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； 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： 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； 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； 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； 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A 2; 步骤S25,计算所述未损伤试样中的等效非线性参量凡=儿/< ; 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β β N;计算β i/β。，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β Υβ。 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； 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A 2;计算所述待测板状金属构件/材料的等效非线性参量β d并进行归一化 处理，得到归一化值β/β。； 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β/β c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。2. 根据权利要求1所述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特 征在于，N ^ 8。3. 根据权利要求1所述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特 征在于，所述加速蠕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100小时。4. 根据权利要求1所述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特 征在于，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。5. 根据权利要求1所述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特 征在于，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。6. 根据权利要求1所述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特 征在于，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。7. 根据权利要求1所述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特 征在于，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。8. 根据权利要求1所述的板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，其特 征在于，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。
【专利摘要】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，其包括通过对板状金属试样进行非线性超声Lamb波的测量，获取金属构件/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；对待测板状金属构件/材料进行非线性超声Lamb波信号的测量，通过关系曲线获取与测量得到的非线性超声Lamb波归一化值对应的剩余寿命分数；根据剩余寿命分数和待测板状金属构件/材料的加载时间预测该待测金属构件/材料的剩余寿命。本发明能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。
【IPC分类】G01N29/04
【公开号】CN105067703
【申请号】CN201510465209
【发明人】项延训, 轩福贞, 涂善东, 刘长军, 王正东
【申请人】华东理工大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月31日