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1、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 郑阳 时 间 2014年9月12日,内容提纲,内容提纲,1 无损检测与材料服役状态评估,无损检测技术是人们观察世界的工具,看见,看清楚,一直看见,一直看清楚,无损检测技术发展的目标,发现缺陷,发现更小的缺陷,更高精度、更多特性测量,整个生命周期,无损检测技术是生态开放性的技术体系,基于力、热、声、光、电等物理效应，反演材料的特性（力学性能、组织性能等）和损伤。基于新现象，不断有新的方法产生。,人们总是需要借助于各种工具去看清世界。望远镜放大镜显微镜 扫描电镜,无损检测是人们了解材料特性、观察材料损伤的工具手段,1 无损检测与材料服役状态
2、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,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,2 材料性能退化的无损检测方法,宏观可测量参量,
3、材料微观组织结构变化,无损检测技术目标,技术要素,物理原理,微观结构变化引起的可测参量变化,检测系统,传感器、仪器系统,技术应用,信号处理、反演,2.1 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
4、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.2011,2.1 非线性超声超声非线性,蠕变状态检测,0.3,0.3,0.6,Krishnan B.Creep damage characterization using a low amplitude nonlinear ultra
5、sonic technique.2011,Krishnan B.Creep damage assessment in titanium alloy using a nonlinear ultrasonic technique.2008,检测的位置相关性,2.1 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
6、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.2011,2.2 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,Magnetic Barkhausen Noise）。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。,
7、2.2 磁特性参数磁巴克豪森,疲劳状态评估,M.Soultan.Mechanical Barkhausen noise during fatigue of iron,2006,MBN可用于疲劳状态全程评估，在平稳段的评估还需研究。MBN可用于对应力的测试，且可以测量出不同方向上的应力水平。,2.2 磁特性参数磁巴克豪森,疲劳状态评估,173MPa,173MPa,250MPa,250MPa,Q345,2.3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。,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
8、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。,内容提纲,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,超声检测涉及的三类基本声学问题：,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,.,1,2,3,4,
9、Aij,A-SCAN:Aa(t),a Beam Angle,传统的相控阵检测一般采用控制延迟时间，实现超声波在某一方向或某一点的聚焦检测，也称为聚焦法则。,3 材料宏观缺陷超声相控阵,A11,A12,A13,A14,A21,A22,A23,A24,A31,A32,A33,A34,A41,A42,A43,A44,.,2,3,4,1,S Aij f(jijk),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。,C Holmes,B W Drinkwater,et al,NDT&E Internationa
10、l,2005,P D Wilcox,et al,Ieee Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control,2007,C Holmes,B W Drinkwater,et al,Ultrasonics,2008,J Zhang,B W Drinkwater,et al,NDT&E International,2011,C Li,et al,NDT&E International,2013,郑阳等,声学学报,2013,3 材料宏观缺陷超声相控阵,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
11、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 材料宏观缺陷超声相控阵,基于超多阵元柔性激励的高端超声无损检测仪开发与应用,所研制的仪器拟达到如下关键性能指标：最大激励接收通道：256/256PR 激励信号的类型：任意波形 激励信号电压幅值：10V-200V(1%)激励信号带宽：10KHz-20MHz 激励通道延迟分辨率：1ns 接收通道的放大倍数：0dB-80dB 接收通道的滤波器截止频率：10K-500K；450K-5MHZ；4.5M-10MHZ；9.5M-20MHZ 最大数字化频率：100MHz 接收信号波幅分辨率：16位 平均故障间隔时间（MTB
12、F）400h,3 材料宏观缺陷电磁超声检测,Motor,Generator,激励过程,接收过程,电磁场,3 材料宏观缺陷电磁超声检测,3 材料宏观缺陷电磁超声检测,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,3 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,Southwest Research Institute MsS,University of Cincinnati,管道导波,Guided Ultrasonics Ltd.Wavemaker G3,3 材料宏观缺陷超声导波,管道导波,3 材料宏观缺陷超声导波,管道导波,3 材料宏观缺陷超声导波,兰姆波,3 材料宏观缺陷超声导波,兰姆波,3 材料宏观缺陷超声导波,兰姆波,欢迎探讨,谢谢！,
