專利名稱：一種金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)安全保障和無損評價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法。
背景技術(shù)：
金屬材料,如不銹鋼、鈦合金、鎳基合金等，廣泛應(yīng)用于石油化工、火電核電、汽車以及航空等行業(yè)中，由這些材料制造的部件大多長期在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作，它們將不可避免地受到高溫、蠕變、疲勞損傷，引起材料性能退化，從而導(dǎo)致材料失效，引發(fā)安全事故，因此，對這些在役設(shè)備及部件進(jìn)行健康監(jiān)測和檢測以獲得材料的剩余強(qiáng)度是十分必要和迫切的。斷裂韌性作為表征材料阻止裂紋擴(kuò)展能力的一個定量指標(biāo)，在工程實(shí)踐中對材料的結(jié)構(gòu)完整性評定、剩余強(qiáng)度分析起著至關(guān)重要的作用。如何實(shí)現(xiàn)對金屬材料斷裂韌性進(jìn)行快速和有效的安全檢測仍然是一個亟待解決的重要課題。目前，傳統(tǒng)的夏比沖擊試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、緊湊拉伸試驗(yàn)?zāi)軌颢@得沖擊功、J-R阻力曲線、起裂門檻值等材料斷裂韌性參數(shù)，這些參數(shù)可作為標(biāo)定材料剩余強(qiáng)度的依據(jù)。但是傳統(tǒng)的斷裂韌性試驗(yàn)需要在服役設(shè)備上取相當(dāng)大的試樣，取樣后還需在取樣部位進(jìn)行焊接修補(bǔ)，這種修補(bǔ)會對設(shè)備的整體性能產(chǎn)生相當(dāng)不利的影響。近二十年來發(fā)展起來的小沖桿試驗(yàn)方法受到國內(nèi)外研究者的極大關(guān)注，因?yàn)樵摲椒梢詮浹a(bǔ)傳統(tǒng)斷裂韌性試驗(yàn)取樣較大的缺點(diǎn)，它是一種近似無損的微試樣取樣及測試技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果可以和傳統(tǒng)的斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以得到斷裂韌性結(jié)果。傳統(tǒng)斷裂韌性試驗(yàn)以及小沖桿試驗(yàn)方法雖然都能綜合的反映出材料的力學(xué) 性能，但是這些方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的1)這些斷裂韌性試驗(yàn)的材料只能從結(jié)構(gòu)的局部范圍內(nèi)取得，即基于有限的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，不能反映構(gòu)件整體力學(xué)性能，而且過多的采樣又會造成分析過程耗時費(fèi)力，不利于快速檢測分析。2)取樣范圍一般只能在材料表面部分進(jìn)行，不能反映出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)際損傷狀態(tài)。目前認(rèn)為可用于金屬材料斷裂韌性無損檢測或評價(jià)的技術(shù)主要有電化學(xué)技術(shù)、電阻率測量、渦流檢測等，然而這些技術(shù)仍處于研究階段，目前的還未能有效的、快速的達(dá)到無損檢測和評價(jià)金屬材料斷裂韌性的目的，尤其是還未能定量檢測材料的斷裂韌性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有金屬材料斷裂韌性檢測技術(shù)中存在的不足，提供一種新型的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，利用超聲二次諧波定量無損地檢測金屬材料的斷裂韌性。本發(fā)明的金屬構(gòu)材料斷裂韌性的無損檢測方法包括以下步驟(a)選擇與待測金屬材料材質(zhì)相同的原材料試樣作為未損傷試樣，利用加速老化試驗(yàn)制作N種不同損傷程度的試樣，每種損傷程度試樣各η個；(b)對每種損傷程度的η個試樣分別在不同溫度下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，獲得-ιοοηοο 范圍內(nèi)的吸收能量-溫度變化曲線，該曲線縱坐標(biāo)數(shù)值范圍的中點(diǎn)所對應(yīng)的溫度，即為該種損傷程度的試樣對應(yīng)的脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT ；(c)選取每種損傷程度的η個試樣中夏比沖擊試驗(yàn)溫度最接近其脆性轉(zhuǎn)變溫度的I個試樣，進(jìn)行超聲二次諧波測量，從而獲得經(jīng)該試樣傳播后的信號的基頻幅值A(chǔ)m和二次諧波幅值A(chǔ)"，其中i=(TN-l ；(d)計(jì)算每種損傷程度的試樣的等效非線性參量總=為,/4^以及超聲二次諧波非線性參量歸一化值β /βο;(e)通過斷裂韌性試驗(yàn)或借鑒斷裂強(qiáng)度因子Krc與FATT的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，獲得每種損傷程度的試樣的斷裂強(qiáng)度因子Kk，作出斷裂強(qiáng)度因子Kk與超聲二次諧波非線性參量歸一化值Pi/的關(guān)系曲線，即為無損檢測斷裂韌性的標(biāo)定曲線；(f)對待測金屬材料進(jìn)行超聲二次諧波測量，得到經(jīng)待測金屬材料傳播后的信號的基頻幅值A(chǔ)m和二次諧波幅值A(chǔ)2，d ;計(jì)算待測金屬材料的等效非線性參量β d = K2Jk2hi以及超聲二次諧波歸一化值β d/ ;在步驟(e)獲得的斷裂強(qiáng)度因子Krc與超聲二次諧波非線性參量歸一化值Pi/的關(guān)系曲線上找到Pd/β C1對應(yīng)的斷裂強(qiáng)度因子Kiad，即為待測金屬材料的斷裂韌性值。根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(a)中，N彡5且11彡8。根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(a)中，所述加速老化試驗(yàn)的溫度大于待測金屬材料所處的實(shí)際工況溫度，所述加速老化試驗(yàn)中的試樣最長老化時間經(jīng)元素?cái)U(kuò)散理論轉(zhuǎn)換后大于100000 小時。根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(a)中，所述N種不同損傷程度的試樣通過連續(xù)性等溫?zé)崽幚碓囼?yàn)或者中斷性等溫?zé)崽幚碓囼?yàn)得到。根據(jù)本發(fā)明，所述 步驟(b)和(C)中，所述夏比沖擊試驗(yàn)由三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)或緊湊拉伸試驗(yàn)代替。根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(C)中，通過依次連接的基頻信號發(fā)生系統(tǒng)、基頻縱波換能器、試樣、二次諧波縱波換能器和數(shù)字示波器進(jìn)行所述超聲二次諧波測量，其中，試樣的一個表面與基頻縱波換能器耦合，與該表面相平行的另一表面與二次諧波縱波換能器相耦
口 ο根據(jù)本發(fā)明，所述基頻信號發(fā)生系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器和濾波器。根據(jù)本發(fā)明，所述基頻縱波換能器和二次諧頻縱波換能器由鈮酸鋰、石英或壓電陶瓷材料制成。根據(jù)本發(fā)明，所述基頻信號發(fā)生系統(tǒng)的中心頻率為f 10MHz。根據(jù)本發(fā)明，所述基頻縱波換能器的中心頻率與基頻信號發(fā)生系統(tǒng)的中心頻率保持一致，而二次諧頻縱波換能器的中心頻率為基頻信號發(fā)生系統(tǒng)的中心頻率的兩倍。根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(e)中，對于CrMoV系列材料，可采用如下經(jīng)驗(yàn)式獲得每種損傷程度的試樣的斷裂強(qiáng)度因子Krc KIC=6600/ [60- (T-FATT)]其中，Krc的量綱為MPa · m1/2，Kic的測試溫度T和FATT的量綱均為V。根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(e)，所述斷裂強(qiáng)度因子Krc與超聲二次諧波非線性參量歸一化值ο的關(guān)系曲線為單調(diào)遞增曲線、單調(diào)遞減曲線、單峰曲線或單谷曲線。本發(fā)明的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，能對在役部件的金屬材料的斷裂韌性進(jìn)行檢測和評價(jià)，為金屬材料的安全服役提供可靠的依據(jù)。檢測速度快，對在役部件不會造成破壞，檢測成本低；檢測準(zhǔn)確度高，誤差能夠滿足工程要求；檢測覆蓋金屬材料的表面及內(nèi)部；尤其適合跟蹤金屬材料早期、中期的斷裂韌性，這是現(xiàn)有其它無損檢測手段難以媲美的。


圖1為超聲二次諧波測量的試驗(yàn)裝置示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例得到的ICr-1Mo-O. 25V轉(zhuǎn)子鋼脆性斷裂強(qiáng)度因子Kk與超聲二次諧波非線性參量歸一化值的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是這樣的金屬材料經(jīng)過熱損傷、疲勞蠕變損傷后的性能退化與超聲在材料中傳播的非線性效應(yīng)關(guān)系密切，即材料性能退化總是伴隨著某種形式的材料非線性力學(xué)行為，從而引起超聲波傳播非線性諧波的產(chǎn)生。金屬材料中的位錯弦模型(Dislocation String Model) [HikataA, Chick B, Elbaum C. Dislocationcontribution to the second harmonic generation of ultrasonic waves. J. Appl.Phys. 1965，36(1) :229-236]認(rèn)為晶體中的位錯與位錯的相互作用或內(nèi)部的點(diǎn)缺陷等會在位錯線上形成釘軋點(diǎn)(Pinning Point),在這些釘軋點(diǎn)上,位錯線不容易運(yùn)動，但在相鄰的兩個釘軋點(diǎn)之間，位錯線在應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生類似于兩端固定的弦的受迫振動，這種振動會產(chǎn)生其它頻率的諧波，從而使一列單頻率波產(chǎn)生高頻諧波分量。同樣的，金屬材料在老化損傷過程中發(fā)生的時效反應(yīng)，如析出相的發(fā)生也會對材料中位錯線形成釘軋作用，從而引起超聲在材料內(nèi)部傳播時諧波成分的增加。金屬材料在服役過程中會發(fā)生損傷行為(如熱損傷、疲勞損傷、蠕變損傷、疲勞和蠕變交互作用損傷等)，引起材料的韌性退化，伴隨著的位錯變化、析出相變化、孔洞的變化等，這些變化會引起材料內(nèi)部超聲傳播過程中非線性發(fā)生效應(yīng)的變化，這為本發(fā)明利用超聲二次諧波無損檢測金屬材料的斷裂韌性情況提供了理論依據(jù)。以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。 待測金屬材料為一種ICr-1Mo-O. 25V轉(zhuǎn)子鋼，其成分如表I所示
表I ICr-1Mo-O. 25V轉(zhuǎn)子鋼化學(xué)成分(單位wt. %)
權(quán)利要求
1.一種金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，包括以下步驟(a)選擇與待測金屬材料材質(zhì)相同的原材料試樣作為未損傷試樣，利用加速老化試驗(yàn)制作N種不同損傷程度的試樣，每種損傷程度試樣各η個；(b)對每種損傷程度的η個試樣分別在不同溫度下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，獲得-ιοοηοο 范圍內(nèi)的吸收能量-溫度變化曲線，該曲線縱坐標(biāo)數(shù)值范圍的中點(diǎn)所對應(yīng)的溫度，即為該種損傷程度的試樣對應(yīng)的脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT ；(c)選取每種損傷程度的η個試樣中夏比沖擊試驗(yàn)溫度最接近其脆性轉(zhuǎn)變溫度的I個試樣，進(jìn)行超聲二次諧波測量，從而獲得經(jīng)該試樣傳播后的信號的基頻幅值A(chǔ)m和二次諧波幅值A(chǔ)"，其中i=0 N-l ；(d)計(jì)算每種損傷程度的試樣的等效非線性參量及=為,./為2,以及超聲二次諧波非線性參量歸一化值β i/β。；Ce)通過斷裂韌性試驗(yàn)或借鑒斷裂強(qiáng)度因子Krc與FATT的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，獲得每種損傷程度的試樣的斷裂強(qiáng)度因子Kk，作出斷裂強(qiáng)度因子Kk與超聲二次諧波非線性參量歸一化值的關(guān)系曲線，即為無損檢測斷裂韌性的標(biāo)定曲線；(f)對待測金屬材料進(jìn)行超聲二次諧波測量，得到經(jīng)待測金屬材料傳播后的信號的基頻幅值A(chǔ)lid和二次諧波幅值A(chǔ)2，d ;計(jì)算待測金屬材料的等效非線性參量β d = K2Jk2hi以及超聲二次諧波歸一化值β d/ ;在步驟(e)獲得的斷裂強(qiáng)度因子Krc與超聲二次諧波非線性參量歸一化值的關(guān)系曲線上找到對應(yīng)的斷裂強(qiáng)度因子Kiad，即為待測金屬材料的斷裂韌性值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述步驟(a)中，N≥5且打≥8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述步驟(a)中，所述加速老化試驗(yàn)的溫度大于待測金屬材料所處的實(shí)際工況溫度，所述加速老化試驗(yàn)中的試樣最長老化時間經(jīng)元素?cái)U(kuò)散理論轉(zhuǎn)換后大于100000小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述步驟(a)中，所述N種不同損傷程度的試樣通過連續(xù)性等溫?zé)崽幚碓囼?yàn)或者中斷性等溫?zé)崽幚碓囼?yàn)得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述步驟(b)和(C)中，所述夏比沖擊試驗(yàn)由三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)或緊湊拉伸試驗(yàn)代替。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述步驟(C)中，通過依次連接的基頻信號發(fā)生系統(tǒng)、基頻縱波換能器、試樣、二次諧波縱波換能器和數(shù)字示波器進(jìn)行所述超聲二次諧波測量，其中，試樣的一個表面與基頻縱波換能器耦合，與該表面相平行的另一表面與二次諧波縱波換能器相耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述基頻信號發(fā)生系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器和濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述基頻縱波換能器和二次諧頻縱波換能器由鈮酸鋰、石英或壓電陶瓷材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述基頻信號發(fā)生系統(tǒng)的中心頻率為f 10MHz。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述基頻縱波換能器的中心頻率與基頻信號發(fā)生系統(tǒng)的中心頻率保持一致，而二次諧頻縱波換能器的中心頻率為基頻信號發(fā)生系統(tǒng)的中心頻率的兩倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述步驟(e)中，對于CrMoV系列材料，可采用如下經(jīng)驗(yàn)式獲得每種損傷程度的試樣的斷裂強(qiáng)度因子Krc:LIC=6600/ [60- (T-EATT)]其中，Krc的量綱為MPa · m1/2，Kic的測試溫度T和FATT的量綱均為。C。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，其特征在于，所述斷裂強(qiáng)度因子Krc與超聲二次諧波非線性參量歸一化值β i/ 的關(guān)系曲線為單調(diào)遞增曲線、單調(diào)遞減曲線、單峰曲線或單谷曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，主要包括利用不同損傷程度的試樣進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，得到試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度；對每種損傷程度的試樣進(jìn)行超聲二次諧波測量，從而獲得該種損傷程度的試樣的超聲二次諧波非線性參量歸一化值；通過斷裂韌性試驗(yàn)或借鑒斷裂經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，獲得每種損傷程度的試樣的斷裂強(qiáng)度因子，作出無損檢測斷裂韌性的標(biāo)定曲線；對待測金屬材料進(jìn)行超聲二次諧波測量，得到待測金屬材料的超聲二次諧波歸一化值；利用標(biāo)定曲線獲得待測金屬材料的斷裂韌性值。本發(fā)明的金屬材料斷裂韌性的無損檢測方法，能對在役金屬部件的材料斷裂韌性進(jìn)行檢測和評價(jià)，為金屬材料的安全服役提供可靠依據(jù)。
文檔編號G01N3/00GK103063508SQ20121057695
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者軒福貞, 張劍鋒, 劉長虹, 項(xiàng)延順, 涂善東 申請人:華東理工大學(xué)