專利名稱：一種金屬材料斷裂韌性的無損檢測(cè)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(píng)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(cè)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(duì)這些在役設(shè)備及部件進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)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(gè)定量指標(biāo)，在工程實(shí)踐中對(duì)材料的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)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(duì)金屬材料斷裂韌性進(jìn)行快速和有效的安全檢測(cè)仍然是一個(gè)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(huì)對(duì)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(cè)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(duì)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(huì)造成分析過程耗時(shí)費(fèi)力，不利于快速檢測(cè)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(cè)或評(píng)價(jià)的技術(shù)主要有電化學(xué)技術(shù)、電阻率測(cè)量、渦流檢測(cè)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(cè)和評(píng)價(jià)金屬材料斷裂韌性的目的，尤其是還未能定量檢測(cè)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(cè)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(cè)方法，利用超聲二次諧波定量無損地檢測(cè)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(cè)方法包括以下步驟(a)選擇與待測(cè)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(gè)；(b)對(duì)每種損傷程度的η個(gè)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(duì)應(yīng)的溫度，即為該種損傷程度的試樣對(duì)應(yīng)的脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT ；(c)選取每種損傷程度的η個(gè)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(gè)試樣，進(jìn)行超聲二次諧波測(cè)量，從而獲得經(jīng)該試樣傳播后的信號(hào)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(cè)斷裂韌性的標(biāo)定曲線；(f)對(duì)待測(cè)金屬材料進(jìn)行超聲二次諧波測(cè)量，得到經(jīng)待測(cè)金屬材料傳播后的信號(hào)的基頻幅值A(chǔ)m和二次諧波幅值A(chǔ)2，d ;計(jì)算待測(cè)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(duì)應(yīng)的斷裂強(qiáng)度因子Kiad，即為待測(cè)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(cè)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(shí)間經(jīng)元素?cái)U(kuò)散理論轉(zhuǎn)換后大于100000 小時(shí)。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(hào)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(cè)量，其中，試樣的一個(gè)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(hào)發(fā)生系統(tǒng)包括信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(cè)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(cè)方法，能對(duì)在役部件的金屬材料的斷裂韌性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，為金屬材料的安全服役提供可靠的依據(jù)。檢測(cè)速度快，對(duì)在役部件不會(huì)造成破壞，檢測(cè)成本低；檢測(cè)準(zhǔn)確度高，誤差能夠滿足工程要求；檢測(cè)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(cè)手段難以媲美的。


圖1為超聲二次諧波測(cè)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(cuò)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(cuò)與位錯(cuò)的相互作用或內(nèi)部的點(diǎn)缺陷等會(huì)在位錯(cuò)線上形成釘軋點(diǎn)(Pinning Point),在這些釘軋點(diǎn)上,位錯(cuò)線不容易運(yùn)動(dòng)，但在相鄰的兩個(gè)釘軋點(diǎn)之間，位錯(cuò)線在應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生類似于兩端固定的弦的受迫振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)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(shí)效反應(yīng)，如析出相的發(fā)生也會(huì)對(duì)材料中位錯(cuò)線形成釘軋作用，從而引起超聲在材料內(nèi)部傳播時(shí)諧波成分的增加。金屬材料在服役過程中會(huì)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(cuò)變化、析出相變化、孔洞的變化等，這些變化會(huì)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟(a)選擇與待測(cè)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(gè)；(b)對(duì)每種損傷程度的η個(gè)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(duì)應(yīng)的溫度，即為該種損傷程度的試樣對(duì)應(yīng)的脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT ；(c)選取每種損傷程度的η個(gè)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(gè)試樣，進(jìn)行超聲二次諧波測(cè)量，從而獲得經(jīng)該試樣傳播后的信號(hào)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(cè)斷裂韌性的標(biāo)定曲線；(f)對(duì)待測(cè)金屬材料進(jìn)行超聲二次諧波測(cè)量，得到經(jīng)待測(cè)金屬材料傳播后的信號(hào)的基頻幅值A(chǔ)lid和二次諧波幅值A(chǔ)2，d ;計(jì)算待測(cè)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(duì)應(yīng)的斷裂強(qiáng)度因子Kiad，即為待測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(shí)間經(jīng)元素?cái)U(kuò)散理論轉(zhuǎn)換后大于100000小時(shí)。
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(cè)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(cè)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(cè)方法，其特征在于，所述步驟(C)中，通過依次連接的基頻信號(hào)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(cè)量，其中，試樣的一個(gè)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(cè)方法，其特征在于，所述基頻信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)包括信號(hào)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(cè)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(cè)方法，其特征在于，所述基頻信號(hào)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(cè)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(hào)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(hào)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(cè)方法，其特征在于，所述步驟(e)中，對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)每種損傷程度的試樣進(jìn)行超聲二次諧波測(cè)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(cè)斷裂韌性的標(biāo)定曲線；對(duì)待測(cè)金屬材料進(jìn)行超聲二次諧波測(cè)量，得到待測(cè)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(cè)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(cè)方法，能對(duì)在役金屬部件的材料斷裂韌性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，為金屬材料的安全服役提供可靠依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N3/00GK103063508SQ20121057695
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:華東理工大學(xué)