材料性能退化及缺陷生成过程中的无损检测技术课件

材料性能退化及缺陷生成过程中的

无损检测与评估技术报告人

2014年9月12日内容提纲

无损检测与材料服役状态评估1材料性能退化的无损检测方法2非线性超声检测方法2.1磁特性参数检测方法2.2材料宏观缺陷的无损检测方法3声发射检测方法2.3内容提纲

无损检测与材料服役状态评估1材料性能退化的无损检测方法2非线性超声检测方法2.1磁特性参数检测方法2.2材料宏观缺陷的无损检测方法3声发射检测方法2.31无损检测与材料服役状态评估材料服役过程中缺陷演化及相应无损检测与评估技术服役生命周期使用性能阶段二阶段一阶段三损伤形式疲劳：晶粒间滑移、位错微裂纹的形成、积聚与生长蠕变：质点扩散、晶体滑移空洞、裂纹形成与生长腐蚀氢损伤（氢脆、氢腐蚀、氢鼓泡、氢致裂纹）微缺陷宏观缺陷脉冲反射超声TOFD超声相控阵超声导波射线/磁粉/渗透漏磁/涡流声发射/磁声发射超声非线性磁巴克豪森磁特性红外性能强化1无损检测与材料服役状态评估现有常用无损检测方法种类传感器：压电、电磁声、激光超声声学超声导波脉冲反射TOFD相控阵管道导波兰姆波SH导波表面波界面波声学非线性声发射电磁涡流微磁磁特性参数磁巴克豪森漏磁磁粉脉冲涡流远场涡流阵列涡流常规涡流其它：射线、渗透、光纤、红外物理现象传感器与检测系统特征内容提纲

无损检测与材料服役状态评估1材料性能退化的无损检测方法2非线性超声检测方法2.1磁特性参数检测方法2.2材料宏观缺陷的无损检测方法3声发射检测方法2.32.1非线性超声——超声非线性

物理原理——声波动实际上是非线性的，只是在振幅较小的情况下可忽略而取线性近似。人们发现材料性能退化可增强透过材料传播的超声波非线性，表现为高频谐波分量增强。利用这一现象可进行材料性能退化程度的检测。超声非线性检测材料疲劳状态原理示意图超声非线性系数β与疲劳生命周期对应关系低周疲劳高周疲劳超声非线性系数材料的超声非线性系数与材料的高阶弹性常数有关，而高阶弹性常数与材料的微观结构、内部组分或微缺陷密切相关。2.1非线性超声——超声非线性

检测系统板状试件连续在线监测圆棒型试件离线测试典型超声非线性测量系统2.1非线性超声——超声非线性

疲劳状态检测可评价区非线性超声无法评价区域采用振动声调制非线性超声可评价微裂纹采用板状试件进行疲劳试验，测量超声非线性时，需要注意测量的位置采用宏观缺陷的无损检测技术方法颜丙生.金属材料力学性能退化的非线性超声无损检测研究[D].20112.1非线性超声——超声导波非线性

物理原理——当兰姆波在固体板中传播时,由于介质中弹性非线性的存在,必然会导致二次谐波的发生。因为兰姆波存在频散特性,一般认为其很难产生强烈非线性谐波。但当满足一定匹配条件时：相速度匹配，能量流从基频模式到谐频模式的传递、群速度匹配，即可产生强烈非线性效应。兰姆波的形成对称模态反对称模态相速度频散曲线群速度频散曲线兰姆波——是在自由薄板中传播的一种导波形式。

具有多模态、频散的特点。2.1非线性超声——超声导波非线性

系统原理框图检测实验系统蠕变实验试件检测系统及蠕变检测由于兰姆波信号积累了传播路径上的所有非线性效应，因此与传播距离相关。适合于对蠕变的长期在线监测应用项延训.高温构件早期损伤的非线性超声导波评价方法研究[D].20112.2磁特性参数——磁巴克豪森

物理原理——在磁化过程中磁畴发生跳跃式转向，施放出电磁波，称为磁巴克豪森噪讯（MBN,MagneticBarkhausenNoise）。其能量、信号特征等与材料应力状态、微观结构等密切相关，因此可用于应力和材料微观结构检测。MagneticfieldMagneticDomains2.2磁特性参数——磁巴克豪森

疲劳状态评估173MPa173MPa250MPa250MPaQ3452.3声发射检测方法——声发射物理原理——是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释放出应变能的现象。AESystem弹性波结构材料源塑性变形相变亚临界裂纹扩展其他源压力泄漏摩擦及磨损裂纹面闭合与摩擦撞击磁畴壁运动燃烧沸腾凝固与熔化氧化膜、锈皮和熔渣开裂声发射传感器前置放大器声发射采集系统2.3声发射检测方法——声发射被动声发射主动声发射需缺陷自身发射声信号，仪器系统只被动地接收信号。因此需在线监测缺陷的生长过程。采用其它方式，使材料产生声发射信号，如磁声发射检测技术，利用磁畴转动过程，发射的声信号。3材料宏观缺陷——超声相控阵脉冲回波式TOFD相控阵

超声相控阵可对整个探测区域成像，结果形象直观，易于对缺陷进行定量分析，有望实现缺陷高精度三维重构，代表了超声无损检测的未来和方向。3材料宏观缺陷——超声相控阵1波源辐射声场及波在介质中传播问题超声检测涉及的三类基本声学问题：2超声波遇到缺陷时的交互作用问题23由回波信号进行缺陷反演的逆问题3采用解析法、数值法和有限元法研究在各向同性介质中较好地实现了解决主要表现为模态转换和波的散射亟待得到更好的解决缺陷重构亟待得到更好的解决3材料宏观缺陷——超声相控阵A11A12A13A14A21A22A23A24A31A32A33A34A41A42A43A44...2341α1α2α…αNSA[i][j]×f(jij[k])在超声导波中常用的一种全矩阵信号采集，全聚焦成像检测的方法被引入到相控阵检测中，可以有效地提高成像精度，并且使得解调缺陷的散射特性成为了可能。CHolmes,BWDrinkwater,etal,NDT&EInternational,2005PDWilcox,etal,IeeeTransactionsonUltrasonicsFerroelectricsandFrequencyControl,2007CHolmes,BWDrinkwater,etal,Ultrasonics,2008JZhang,BWDrinkwater,etal,NDT&EInternational,2011CLi,etal,NDT&EInternational,2013郑阳等,声学学报,20133材料宏观缺陷——超声相控阵1TransmitterPulse71Measurements71Measurements如何有效利用全矩阵信号解调出的缺陷散射场信息实现缺陷高精度成像超声波在不同缺陷处的散射特性亟待进一步深入研究目前面临的问题3材料宏观缺陷——超声相控阵3材料宏观缺陷——电磁超声检测AnglebeamshearwaveSurfaceWaveLambWave(especiallysuitableforsymmetricmode)SHguidedWave3材料宏观缺陷——电磁超声检测压电传感器需斜入射经波型转换后形成SV波；EMAT无需波型转换，可在结构中直接产生横波（SV/SH）。压电传感器需斜入射产生Lamb波，难产生对称模态，难产生单一模态；EMAT特别容易产生单一对称模态Lamb波。可产生独特的波模式3材料宏观缺陷——电磁超声检测EMAT检测无需耦合剂指标压电传感器EMAT重复测量稳定性一般好阵列检测时传感器一致性难易保证很好保证非接触式测量无法（空气耦合探头除外）可以检测时打磨材料表面需要无需高温检测难（常规探头小于60ºC，高温探头一般小于300ºC）可大于300ºC3材料宏观缺陷——电磁超声检测目前存在的主要问题转换效率相比压电较低需要宽带、大功率、线性的激励电路需要大增益、高信噪比的采集电路需要对传感器的激励、接收性能做大量优化设计理论尚不完备是一个多场耦合的问题对详细作用机制认识尚不完全3材料宏观缺陷——超声导波SouthwestResearchInstituteMsSUniversityofCincinnati管道导波GuidedUltrasoni