[发明专利]一种金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法。 

背景技术

金属材料，如奥氏体不锈钢、钛合金、镍基合金等被广泛应用于石化、航空、电力、核电等诸多领域。由这些材料制造的部件一般在苛刻的环境下工作，如在高温下长期运行，这些部件将不可避免的会发生高温蠕变损伤，引起材料的力学性能及物理性能的变化，为安全生产埋下隐患，因此对这些在役设备或部件进行健康监测和检测以得到其剩余寿命就显得尤为必要和紧迫。如何实现对金属构件/材料高温蠕变损伤进行快速和有效的安全检测以及剩余寿命定量预测仍然是一个亟待解决的重要课题。 

目前，传统的蠕变试验能够获得蠕变应变率、蠕变强度、持久强度等材料蠕变性能的参数，这些参数可作为预测材料使用寿命的依据。但是传统的蠕变试验需要在服役设备上获取比较大的试样，取样后还需在取样部位进行焊接修补，这种修补会对设备的整体性能产生相当不利的影响，而且这些蠕变实验的材料只能从结构的局部范围内取得，即基于有限的统计数据基础上，不能反映构件整体力学性能，而且过多的采样又会造成分析过程耗时费力，不利于快速检测分析。此外，蠕变试验取样范围一般只能在表面部分进行，不能反映出结构内部的实际损伤状态。现有的用于金属构件/材料蠕变损伤的无损检测或评价技术主要有：磁性检测技术、小角度中子散射技术、表面复膜技术、涡流检测等技术等。磁检测技术的缺点在于只能适用于铁磁性金属构件/材料，而对于很多高温下使用的非铁磁性合金材料来说，检测效果并不理想。小角度中子散射技术的缺点在于设备庞大，不利于便携式，只适用于在实验室分析。表面复膜技术通常需要在设备上取很多不同的实验点和不同的打磨深度来获知更加可靠和准确的蠕变损伤引起的材料微观结构变化状态。同时，这个方法比较依赖于个人的经验判断，实验分析也是 非常耗时费力。涡流检测一般也只是适用于材料表面状态的检测和评价。由此可见，目前的无损检测技术和方法还未能有效的、快速的达到无损评价金属构件/材料蠕变损伤的目的，尤其是还未能定量预测材料的剩余寿命。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有金属构件/材料剩余寿命预测技术中存在的不足，提供一种新型的金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，利用超声二次谐波定量无损预测金属构件/材料的剩余寿命。 

本发明的金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法，包括以下步骤： 

(a)、选择与待测金属构件/材料材质相同的原材料试样作为未损伤试样，利用加速蠕变实验制作N个蠕变损伤程度不同的试样； 

(b)、对所述未损伤试样进行超声二次谐波的测量： 

将所述未损伤试样的上表面与基频纵波换能器或聚焦换能器耦合，下表面与二次谐波纵波换能器相耦合； 

由基频信号发生系统产生一个基频信号，并用该信号去激励基频纵波换能器在所述未损伤试样中产生基频声振动波，声振动波在所述未损伤试样中传播过程中会在内部产生超声二次谐波，透过所述未损伤试样的声波被二次谐频纵波换能器接收后转换成电压信号在数字示波器上显示，并通过快速傅立叶变换获得基频A₁和二次谐波A₂的幅值； 

计算所述未损伤试样中的等效非线性参量 

(c)、对N个蠕变损伤程度不同的试样进行超声二次谐波的测量，测量与步骤(b)相同，得到N个相应的基频A₁和二次谐波A₂的幅值； 

计算N个试样中的等效非线性参量β₁～β_N； 

计算β_i/β₀，其中i＝1～N，得到超声二次谐波归一化值； 

根据N个试样的所述加速蠕变实验采用的加载时间与相应的β_i/β₀值得到金属材料剩余寿命时间分数与超声二次谐波归一化值之间的关系曲线； 

(d)、对待测金属构件/材料进行超声二次谐波信号的测量，测量与步骤(b)相同，得到待测金属构件/材料的基频A₁和二次谐波A₂的幅值； 

计算待测金属构件/材料等效非线性参量β_d并进行归一化处理，得到β_d/β₀归一化值； 

(e)、在金属材料剩余寿命分数与超声二次谐波归一化值之间的关系曲线上获取β_d/β₀对应的剩余寿命分数；