无损检测 非线性超声检测 编制说明

1、无损检测 非线性超声检测（征求意见稿）编制说明1 范围本文件规定了非线性超声检测工艺规程的一般原则。本文件适用于固体金属/复合材料结构。本文件为一般工程材料的非线性超声检测标准或检测工艺规程的制定提供指导。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证GB/T 12604.1 无损检测术语 超声检测3 概述有限振幅超声波在固体介质中传播时，与固体介质之间产生非线性相互作用，产生非线性信号。非线

2、性超声检测方法通过测量非线性信号获得介质内部的微组织变化状态，实现对介质材料性能的评估和微小缺陷的检测。本编制说明主要介绍了无损检测 非线性超声检测从立项到完成的整个过程，包含了该标准指定的目的意义、预期的社会经济效益、编写过程、编写原则以及标准内主要技术内容。4 标准编制说明的内容4.1 目的意义航空、化工、核能、电力等重大装备服役条件呈极端化趋势：高温、高压、重载、长周期，非线性超声检测技术能够表征材料在服役早期的材料性能变化和微损伤积累过程，可以弥补传统无损检测技术对于微小损伤灵敏度不足的缺点，提高服役设备的安全性和可靠性。但非线性检测技术操作复杂，专业性高，易发生由于检测方法不合理或操

3、作流程不规范而影响结果可靠性和一致性。对于测量过程中参数设置和操作方法国内外尚无统一规定。急需统一非线性超声检测实施原则，有助于该技术更为合理地应用，确保检测质量的可靠性。4.2 预期的社会经济效益合理利用非线性超声检测方法来检出工程材料的早期微损伤和材料劣化状态检测并准确判断检测结果，确保工业非线性超声检测的质量和可靠性；解决工业检测中多年来对于服役材料早期损伤不能正确检测和评价的难题。规范非线性超声检测方法、检测结果评价与后期数据处理，统一操作原则，确保工程材料检测质量，有助于非线性超声检测技术在工业无损检测领域的应用推广；及时获得正确的检测质量信息，不断优化非线性超声检测工艺，避免重大安

4、全事故发生。4.3 工作简况本文件由中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及设备领域委员会（CSTM/FC94）提出。本文件由中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及设备领域委员会（CSTM/FC94）归口。本文件参照GB/T 1.12020 标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则，GB/T 20001.4标准编写规则 第4部分：试验方法标准给出的规则起草。计划项目周期为12个月。本文件规定了非线性超声检测工艺规程的一般原则。适用于固体金属/复合材料结构。能够为一般工程材料的非线性超声检测标准或检测工艺规程的制定提供指导。2021年8月华东理工大学机械与动力工程学院开始组建标

5、准起草工作组，初步确定工作方案，提出进度安排。经过前期大量的调研工作，结合科研成果和实际检测应用经验，全面地总结和归纳，在此基础上于2020年5月份提出了工作组讨论稿。之后对标准讨论稿中非线性超声测量涉及技术要求，如试件表面粗糙度，耦合状态、激励频率、放大系数、超声信号后处理等，进行验证。2021年12月完成讨论稿的修改，形成此无损检测 非线性超声检测（征求意见稿）编制说明，并提交至中国材料与试验团体标准委员会公开征求意见。本标准主要内容包括：1范围，2规范性引用文件，3术语和定义，4方法概要，5安全要求，6人员要求，7检测工艺规程，8检测设备和器材，9检测程序，10检测结果的评价与处理，11

6、检测记录与报告。4.4 标准编制的原则本项目编写符合GB/T 1.1-2020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则和GB/T 1.2-2020标准化工作导则 第2部分：以ISO/IEC标准化文件为基础的标准化文件起草规则 中有关规定。 本项目制订后有助于国内各个行业从事无损检测领域的工作者规范合理使用非线性超声检测技术，确定检测操作规范和参数设置，评价和评估检测结果。4.4.1 全面性原则：在标准的起草过程中，严格按GB/T 1.12009的要求规划标准内容。在条款 的表述上，准确使用GB/T1.1规定的助动词。4.4.2 统一性原则标准的编写和表达方式在三个方面实现统一：一是

7、标准结构的统一，即标准中的章、条、段、表、 图和附录的排列顺序与GB/T1.1的要求统一；二是文体的统一，即类似的条款由类似的措辞来表达，相同的条款由相同的措辞来表达；三是术语的统一，即同一个概念使用同一个术语，每一个术语尽可能只有唯一的含义。4.4.3 适用性原则本标准的制定过程中，充分考虑到标准的适用性。在标准的结构和条款的设计方面，尽可能将技术内容相同或相似的部分划分为同一个章节或同一项 条款，方便其他标准引用，同时减少同一项技术内容，在不同条款中反复使用。4.5主要实验以及确定标准主要技术内容的依据标准验证过程见“附录无损检测 自动超声检测 总则的总体验证报告”。4.6 采用国际标准和

8、国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的对比情况目前国内外尚无有关非线性超声检测技术的相关标准。4.7 与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系：本标准与我国的现行法律、法规和强制性国家标准没有冲突。 4.8 重大分歧意见的处理经过和依据： 无。 4.9 国家标准作为强制性国家标准或推荐性国家标准的建议： 建议本标准为推荐性国家标准。 4.10 贯彻国家标准的要求和措施建议： 建议尽快批准、实施和贯彻本标准。 4.11 废止现行有关标准的建议： 无。 4.12 其他应予说明的事项： 无。附录 A（资料性）标准起草单位和主要起草人本文件起草单位：华东理工大学、中国特种设备检测研究院

9、、厦门大学、重庆大学。本文件主要起草人：项延训、轩福贞、郑阳、李卫彬、刘立帅、邓明晰、朱武军附录验证报告：1非线性超声体波二次谐波检测方法实验名称：拉伸塑性损伤的非线性超声纵波测量实验原理：单一频率超声纵波或横波在固体介质中传播时，与固体介质相互作用产生二次谐波信号。二次谐波幅值与固体介质材料性能和微缺陷密切相关，可以反映材料性能状态。试验测量得到的超声非线性参量可以表示为=8v22zA2A12其中，v为纵波速度，为基波频率，z为超声波传播距离，A1和A2分别为基频波位移幅值和二次谐波位移幅值。通常情况下，利用压电传感器等获得电压信号幅值变化正比于位移幅值变化，所以，超声非线性参量又可以认为是

10、二次谐波电压幅值与基波电压幅值平方之比。基波电压幅值和二次谐波电压幅值可以通过对接收波形的时域信号进行傅里叶变换（FFT）得到。对于本实验中的拉伸塑性，材料纵波速度没有明显变化，因此，超声非线性参量A2/zA12。实验器材：适用范围：金属材料，本实验用拉伸塑性损伤304不锈钢试样。板状拉伸试样从304不锈钢厚板上切割加工而成，试样的拉伸方向与厚板轧制方向相同试样加工：其加工形状如图1.1所示，横截面积为1210 mm2（应宽于使用的超声换能器），标距长度至少为60 mm。制作九种不同拉伸塑性损伤的试样，它们对应的拉伸应变分别为0，5%，10%，15%，20%，25%，30%，35% 和40%。

11、图1.1 拉伸试样尺寸示意图（单位：mm）非线性超声纵波测量系统：RAM-5000高能超声检测系统（主要包括宽带射频脉冲放大器、信号跟踪接收器、相移敏感检测器、门积分器和多个频率合成器），连接信号线，可调节衰减器，低通滤波器，高通滤波器，信号放大器，计算机，数字示波器，超声换能器。图1.2为非线性超声纵波测量装置示意图。RAM-5000高能超声系统的射频发生器可产生指定波数的正弦超声脉冲波信号。产生的信号经过衰减，低通滤波后激发超声换能器发射超声脉冲。由另一侧超声换能器接收到的信号经高通滤波，放大后输入到RAM-5000系统、示波器和计算机，进行数据显示存储以及数据处理和分析。图1.2 非线性

12、纵波试验测量装置示意图实验过程：频率选择：体波频率可适当选择，常用5MHz，Lamb波频率根据频散曲线选择。在非线性超声纵波测量中，使用中心频率为5 MHz的窄带压电换能器(5 MHz, Olympus NDT Panametrics, A543S)作为发射探头，中心频率为10 MHz的宽带压电换能器(10 MHz, Olympus NDT, V544)作为接收探头。它们的有效辐射面积相同，直径均为8.75 mm。对应的低通滤波器频率为5 MHz，高通滤波器频率为10 MHz。激发信号的频率为5 MHz，考虑到待测试样厚度约为10 mm，在保证激发信号脉冲与反射信号脉冲不相互叠加，激发信号的脉

13、冲个数为8。示波器的采样速率为1.25 GS/s。为了保证测量过程中的一致性，探头与试样之间均为薄层耦合，采用的耦合剂为甘油（Olympus, B2）；两端探头采用一个特定的装置进行固定，利用压力传感器将每次测量时探头接触面的压力控制在较为相近的水平。将拉伸试样的标距段均匀分成5等份，对不同拉伸塑性损伤试样上的每段的中心点进行非线性超声纵波测量，每个测量点重复测量3次，共测量15次。在对不同拉伸塑性损伤试样进行正式非线性超声检测之前，必须先测量原样在不同激发电压下的二次谐波幅值，对RAM-5000系统、发射和接收换能器等实验装置进行校验，以确保检测到的纵波二次谐波信号来自于被检测的材料本身，而

14、不是线性信号或测量系统所产生的伪信号。数据处理：常用STFT、FFT、小波变换等将接收得到的波形进行傅里叶变换，得到基频波幅值和二次谐波幅值。如图1.3，即为傅里叶变换后得到的原样上一点的频域信号。已知超声非线性参量A2/zA12，若z0为原始试样厚度，zd为待测试样的厚度，那么A2z0/zdA12可以用来表示归一化的纵波超声非线性参量。因此，本实验采用A2z0/zdA12作为归一化的纵波超声非线性参量。对九种不同拉伸塑性损伤304不锈钢试样的非线性超声纵波测量结果如图1.4所示，其中误差带表示15次测量的标准差。图1.3 非线性纵波接收信号的频谱图图1.4 304不锈钢中非线性参量随拉伸塑性

15、增加的变化情况实验结论在拉伸塑性损伤304不锈钢试样的非线性超声纵波测量中，随着塑性应变的增加，非线性参量单调上升。相对于原样，在发生40%的塑性变形后，非线性参量增长了78%。总体来看，在20%塑性变形后的非线性参量增长率要高于20%塑性变形前的非线性参量增长。2. 非线性超声导波二次谐波检测方法实验名称：P92钢蠕变损伤试样的非线性超声Lamb波测量实验原理：单一频率超声导波（Lamb波、SH板波、stonely波等）在类板状固体介质中传播时，与类板状介质相互作用，产生二次谐波信号，如图2.1所示。基波和二次谐波需满足相速度匹配和非零能量流条件。二次谐波幅值与类板状固体介质材料性能和微缺陷

16、密切相关，可以反映类板状固体介质材料性能状态。当发射换能器T和接收换能器R之间的距离Z 固定不变时，Lamb波二次谐波幅值A2和基频幅值A1的平方之间存在线性关系，通常用非线性参量=A2/A12表示非线性程度。图2.1 非线性超声二次谐波检测原理图实验器材：板状P92钢蠕变损伤试样。试样为带凸台的板状试样，如图2.2所示，其平行段厚度为2 mm，宽度为15 mm，长度约为92 mm，通过预先计算试样夹持端销孔处的抗拉强度，将夹持端厚度设计3 mm。在温度650 ，应力大小为115 MPa的条件下，加载不同时间，得到7块不同蠕变损伤程度的板状P92钢试样。图2.2 P92高温蠕变板状试样示意图非

17、线性超声Lamb波测量系统（如图2.3）：RAM-5000高能超声检测系统（主要包括宽带射频脉冲放大器、信号跟踪接收器、相移敏感检测器、门积分器和多个频率合成器），连接信号线，可调节衰减器，低通滤波器，高通滤波器，信号放大器，计算机，数字示波器，超声换能器。图2.3 非线性超声Lamb波测量装置示意图实验过程：（1）实验采用接触式压电换能器进行超声信号的激发和接收，压电换能器用专门设计的夹具固定，以保证超声谐波量测量的一致性。在对不同蠕变损伤试样测量的过程中，发射和接收换能器之间的距离Z要始终保持不变，为Z=50 mm。（2）由于激发出的信号与板材中的频厚积相关，在超声实验测量之前，使用游标卡

18、尺测量不同程度蠕变试样厚度，不同程度蠕变损伤试样的厚度相对于原始试样厚度变化在2%范围之内。采用发射信号的频率均为f=2.1 MHz，脉冲周数为20。（3）选取汉宁窗调制的正弦脉冲信号作为激发信号，经过2 MHz低通滤波器后加载到发射换能器上，接收换能器接收到的信号经过4 MHz高通滤波器的滤波及前置放大器增益20 dB放大后，再经过RETIC系统内部20 MHz的低通滤波，然后由示波器显示和采样存储，示波器的采样频率为250 MHz，采样点为10000 点。（4）对实验测量系统以及选择的基频 Lamb 波进行测量和验证，以确定测量得到的 Lamb 波二次谐波信号来源于被检测蠕变损伤材料。选择

19、 P92 钢板原始试样，从小到大的调节加载到发射换能器的电压信号，然后逐一测量相应的 Lamb波基频和二倍频信号的幅值。（5）对不同的蠕变损伤试样进行测量，每个试样测量三次，记录下接收换能器接收到的超声Lamb波信号。数据处理：部分蠕变损伤试样的时域信号如图2.4所示。从信号包络中可以看出每个蠕变损伤试样测量得到的信号与原始试样得到的信号包络相同，通过对两个波包群速度测量并与群速度频散曲线对比可知，均包含S1模式和A1模式。图2.4 部分蠕变损伤试样时域信号图考虑到Lamb波的频散性和多模式性，我们采用短时傅里叶变换（STFT）方法来对信号包络进行频域信号处理。时域信号经过STFT之后就可以得

20、到信号在时间和频率两个量上的信息，图2.5中为部分蠕变损伤试样测量得到的信号的STFT时频能量谱图像。从图中可以看出，接收换能器接收到的超声Lamb波信号主要是S1模式和A1模式，以及由S1模式产生的二次谐波S2模式，且S1模式明显小于二次谐波S2模式和A2模式。在频率2.1 MHz和4.2 MHz两个频率上确定基频Lamb波S1模式以及二倍频Lamb波S2模式的幅值，根据这两个模式的幅值可以计算得到Lamb波声非线性参量。图2.5 部分蠕变损伤试样中接收到的Lamb波信号的STFT时频能量谱7块不同程度蠕变损伤试样测量得到的信号经过STFT变换后得到的非线性参量如表2.1所示。从表中可以看出

21、，随着材料蠕变应变的增加，非线性参量表现出比较明显的变化。图2.6给出了归一化Lamb波声非线性参量随着蠕变应变变化的曲线。表2.1 蠕变损伤试样超声测量结果蠕变应变（%）非线性参量（V-1）标准差043.486690.3905821.48491.566239.7426231.86344.445990.323082.24233.641170.7893083.51028.002912.0141915.28766.200861.4013829.404251.00595.870647图2.6 归一化Lamb波非线性参量随着蠕变应变变化的曲线实验结论：归一化Lamb波非线性参量随着蠕变应变的增加呈现先

22、减小后增加的趋势，P92钢高温蠕变损伤的非线性超声检测具有潜在的工程价值。3. 非共线超声体波混频检测（裂纹尖端塑性区非线性超声混频定位表征）一、检测系统及仪器Ritec-SNAP RAM 5000非线性超声测量系统、阻抗匹配器、衰减器、前置放大器、示波器、两个中心频率为5MHz的激发换能器、一个中心频率为10MHz的接收换能器、49.7的有机玻璃斜块和计算机组成。二、检测对象7075-T6铝合金，试样如图1所示，尺寸为250mm*25mm*15mm。采用线切割加工工艺预制深度为4.5mm槽口，共制作5根。预留号试样为标准试样，其余4根试样采用三点弯曲方法预制出裂纹尖端塑性区。三点弯曲实验参数

23、见表1所示。选取号试样和存在塑性区的号试样进行非线性超声混频定位表征实验。根据Irwin经典模型对裂纹尖端塑性区的解释可知，塑性区为位于试样预制槽口下方并且半径不大于1.152mm的圆形区域。图1 7075-T6铝合金试样示意图表1 三点弯曲实验预制塑性区实验参数试样#1#2#3#4#5试验机步进距离（mm）011.251.52试验机峰值载荷（KN）011.114.21515.1三、检测步骤清洗测量区域使用无水乙醇擦拭板材表面，确保表面没有油性污渍和附着物，保持表面光洁。频率对的选择本文采用两列横波相互作用产生和频纵波的模式进行研究，根据相应的混频共振条件（1+2CLr-K1-K2=0，r为混

24、频信号的传播方向，K1和K2分别为两列横波入射波的波矢，1和2分别为两列横波入射波的频率，CL为材料中超声纵波的传播速度）选择5MHz横波和5MHz横波生成10MHz混频纵波混频信号的测量两列入射波由SNAP系统激励输出，经过相应阻抗匹配器和衰减器后，分别激发在换能器1和换能器2上，入射波信号和混频波信号在试样中传播后由换能器3接收，经过高通滤波器滤波和前置放大器放大后传回到SNAP系统，激励信号和接收信号均用示波器显示、保存，并通过计算机进一步分析处理。图2为非线性超声混频定位实验示意图，两个激发换能器对称放置在试样上表面，接收换能器放指置在试样下表面，分别移动两个激发换能器以改变混频波产生

25、位置，从而实现对试样的扫査检测。每移动5mm设置个测量点，每个测量点重复测量次。为避免试样中间的槽口对入射波的传播产生干扰，扫查区域应在槽口下方呈三角形状，如图3所示。图2 非线性超声混频定位实验示意图图3 非线性超声混频定位实验扫查区示意图四、检测结果时域信号如图4所示，图中波包包含了部分入射波信号和混频信号的信息。图4 频率对1接收时域信号图谱对该波包进行快速傅里叶变换，计算扫查区域内非线性超声混频参量的分布，对扫查区域内的损伤分布成像。3号试样成像结果如图5所示。图5 频率对1有损试样扫查区成像图非线性超声混频参量峰值区域与塑性区位置吻合。4. 非线性超声Lamb波混频检测（高温蠕变损伤

26、非线性超声Lamb 波混频测量与表征）一、检测系统及仪器Ritec-SNAP RAM 5000非线性超声测量系统、阻抗匹配器、衰减器、前置放大器、示波器、中心频率为1MHz 窄带换能器、中心频率为2.25MHz 宽带换能器、38、27的有机玻璃斜块和计算机组成。图1为非线性超声Lamb 波激发和接收测量设备及连接示意图。图1 非线性超声Lamb 波激发和接收测量设备及连接示意图二、检测方法采用纵波斜入射法激发超声Lamb 波，直探头接收。由RETIC 高能超声系统激发两个正弦脉冲信号，经过衰减后加载到两个压电换能器上，振动信号由有机玻璃斜块折射入待测材料中。两个对称模式基频超声Lamb 波输入

27、信号在混频区产生相互作用并被接收，经过放大器后输入RETIC 系统处理并显示于示波器和计算机，存储信号以便后续处理。三、检测对象316L 铬镍奥氏体不锈钢板，如图2所示。采用蠕变试验机进行高温蠕变试验：设定高温蠕变试验温度为650，恒定拉应力为107MPa 进行加速蠕变试验，蠕变试验时间序列为0h，400h，800h，1200h，1600h，2000h，如表1所示。图2 316L 板状高温蠕变试样示意图（单位为mm）四、检测步骤频率对的选择根据超声导波混频条件：相速度匹配（kn*=k1k2）；非零能量流（fnsurface+fnvolum0），初步筛选得到部分符合条件的对向和频模式对：1.16

28、MHz S0 + 2.01MHz S1 3.17 MHz S3；1.07MHz S0 + 1.95MHz S1 3.02 MHz S3；1.25MHz S1 + 1.73MHz S0 2.98 MHz S3。对三组模式对进行有效性验证，并采用激发效率较高的频率对进行后续实验，即1.16MHz S0 + 2.01MHz S1 3.17 MHz S3参数的确定根据snell定律（sin=cwedge-Lc(f,l)，cwedge-L为斜块纵波速度，c(f,l)为对应模式相速度）及实验室器材条件计算得1.16MHz S0 模式对应38斜块，2.01MHz S1 模式对应27斜块。不断调整周期（5-20cycles）及衰减数（0-47dB），选取能够激发出效率较高的混频信号的参数进行后续实验。最终确定参数如下：1.16MHz