基于超声的材料塑性变形裂纹扩展状态-波形变化-材料力学特性的对应关系

基于超声的材料塑性变形裂纹扩展状态-波形变化-材料力学特性的对应关系

复合材料的无损检测技术近年来，超声作为一种环保的无损检测方法，在对铸造、电缆、焊接等零件和附件的检验中得到了广泛应用，取得了很大的进步和发展。随着非线性无损检测技术和材料科学的发展,对材料内部结构及力学性能的全方面无损检测的需求更为急迫。本文在无损检测的基础上,提出采用超声波NDT对服役过程中关键结构件进行实时检测,即根据超声波传播时的波形幅值及声程的变化来监测材料的力学性能,不但为服役状态下关键结构件的寿命评估奠定了坚实的基础,也为材料的力学性能、疲劳损伤的在线监测提供有力的依据,同时对于保证关键结构件运营的安全、指导维修也都具有十分重要的作用。1超声ndt在线结构的重要裂纹监测试验1.1拉伸性能试验采用45钢、铸铁两种材料,分别制备圆柱形拉伸试样各5个,试件的尺寸为直径8mm×150mm的标准拉伸试件。为了优化耦合形状,将加工好的圆柱形试件进行研磨处理,使表面粗糙度Ra≃2.5μm。1.2拉伸试验监测将上述加工好的两种材料,共10个试件两两一组,分为5组,利用WDW3035微机电子式万能试验机对标准的圆柱形拉伸试件进行拉伸试验。为了使应变测试简单和保证塑性变形均匀,拉伸速度选为0.5mm/min;为测量每个试件在拉伸过程中的应变,在试件的中间位置和上端,分别贴上线性应变片,并使用AFT-0951双通道动态应变仪及示波器等仪器测出电压,通过电压计算出拉伸过程中的试件的应变;通过TZ-2H型超声波探伤仪对正在加载过程的拉伸试件进行实时监测,选择密度为0.92g/cm3的机油作为耦合剂,选择频率为2.5MHz,采用角度为45°的斜探头进行检测,记录超声波探伤仪显示屏上的波形形状、幅值及声程的变化(塑性变形量不同,波形不同),同时记录拉伸试验机上材料的力学性能参量和塑性变形量,继续拉伸一段长度,重复上述操作,直至试件发生断裂为止。如图1所示。由拉伸试验机的控制端口读取拉伸试件的位移-载荷曲线图,并对数据进行处理,建立塑性变形-波形幅值及频率变化-材料的力学特性的关系,即可以对金属材料初期塑性变形和疲劳损伤程度的特征参量进行实时预测。2试验结果与讨论2.1超声探伤的检测工艺试验验证45钢拉伸位移-载荷曲线如图2所示,分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段,相对应的试件内塑性变形阶段分为裂纹萌生、稳定扩展、后期扩展和试件失稳断裂4个阶段。由于每个阶段内超声波探伤的波形大致相同,每个阶段相应的波形如图3所示,对应45钢拉伸时的弹性阶段波形图为裂纹萌生阶段,此时材料弹性性质、变形、微观结构和弥散等的变化不是太明显,所以超声波检测时缺陷波的回波幅度较小,且根据与底波的距离说明,弹性阶段缺陷首先在试件的A处出现。图4是45钢在拉伸时的屈服阶段波形图,屈服阶段主要产生塑性变形,为裂纹稳定扩展,材料内部晶格沿45°方向滑动,使材料的位错增加,位错的增殖使位错密度增加,位错密度的增加将在材料内部产生孔洞或裂纹缺陷,使得超声波检测时的幅值及缺陷的个数增加,此时的缺陷在试件的两端(见图2中的A处和B处)位置。图5是45钢拉伸时的强化阶段波形图,此阶段为裂纹的后期扩展,材料抵抗变形的能力又继续增加,回波幅值及缺陷的个数继续增加,在试件两端及中间(见图2中的A处、B处及C处)均产生了明显缺陷,且波形比较尖锐,这说明缺陷越大,波高就越高,波形就越明显。图6是45钢拉伸时的颈缩阶段波形图,对应于裂纹的失稳扩展阶段,试件局部范围横向尺寸急剧缩小,出现连带性超声波波形,并在颈缩位置(见图2中的C处)产生一个高波峰。从上述可知,超声波探伤对发现缺陷、描述缺陷及预测材料的疲劳损伤能力是可靠的。由于铸铁是脆性材料,一拉就断,试验过程中不存在屈服、颈缩现象,铸铁拉伸曲线如图7所示,在整个拉伸阶段,超声波无损检测的波形只有两种,如图8所示。图8a为起始阶段铸铁拉伸时的超声波检测图,图8b为后续阶段铸铁超声波检测图,此时的超声波监测图与低碳钢的强化阶段的图有相似性。2.2应力对超声波声程的影响根据超声波测定的回波幅值的衰减与声程的变化,检测材料应力的集中程度和材料微观结构的微小变化,即可以预测疲劳失效。图9a为45钢拉伸过程中声程的变化,在拉伸过程中超声波声程有所下降,这是因为在拉伸过程中,材料内的应力增大,声程随着材料内的应力的增大而降低,铸铁也有相似的规律,如图9b所示。图10为拉伸过程中两种材料回波幅度的对比,图10a为45钢的回波幅度在拉伸过程中的变化情况,在拉伸过程中,超声波检测的回波幅值是增加的,说明超声波的衰减程度减小,这是因为在拉伸过程中材料的晶粒组织均匀性和致密性遭到破坏,使超声波的衰减降低,导致回波幅值增加,当有微裂纹形成时,衰减将显著增加,铸铁也有相似的规律,如图10b所示。3拉拉剂超声波声程变化对材料长期拉伸过程的影响1)超声波波形的变化与材料塑性变形的裂纹扩展的状态,以及拉伸过程的4个阶段保持良好的一致性。根据超声波检测到的波形的变化,能够准确、清晰、直观的表征裂纹扩展的不同阶段,能够有效预测材料使用寿命和力学行为。2