材料性能退化及缺陷生成過程中的無損檢測技術(shù)課件

1、材料性能退化及缺陷生成過程中的無損檢測與評估技術(shù)報(bào)告人 鄭陽 時(shí) 間 2014年9月12日第1頁，共39頁。內(nèi)容提綱無損檢測與材料服役狀態(tài)評估1材料性能退化的無損檢測方法2非線性超聲檢測方法2.1磁特性參數(shù)檢測方法2.2材料宏觀缺陷的無損檢測方法3聲發(fā)射檢測方法2.3第2頁，共39頁。內(nèi)容提綱無損檢測與材料服役狀態(tài)評估1材料性能退化的無損檢測方法2非線性超聲檢測方法2.1磁特性參數(shù)檢測方法2.2材料宏觀缺陷的無損檢測方法3聲發(fā)射檢測方法2.3第3頁，共39頁。1 無損檢測與材料服役狀態(tài)評估無損檢測技術(shù)是人們觀察世界的工具看見看清楚一直看見一直看清楚無損檢測技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)缺陷發(fā)現(xiàn)更小的缺陷更

2、高精度、更多特性測量整個(gè)生命周期無損檢測技術(shù)是生態(tài)開放性的技術(shù)體系 基于力、熱、聲、光、電等物理效應(yīng)，反演材料的特性（力學(xué)性能、組織性能等）和損傷?；谛卢F(xiàn)象，不斷有新的方法產(chǎn)生。人們總是需要借助于各種工具去看清世界。望遠(yuǎn)鏡放大鏡顯微鏡 掃描電鏡 無損檢測是人們了解材料特性、觀察材料損傷的工具手段第4頁，共39頁。1 無損檢測與材料服役狀態(tài)評估材料服役過程中缺陷演化及相應(yīng)無損檢測與評估技術(shù)服役生命周期使用性能階段二階段一階段三損傷形式疲勞：晶粒間滑移、位錯(cuò)微裂紋的形成、積聚與生長蠕變：質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散、晶體滑移空洞、裂紋形成與生長腐蝕氫損傷（氫脆、氫腐蝕、氫鼓泡、氫致裂紋）微缺陷宏觀缺陷脈沖反射超聲T

3、OFD超聲相控陣超聲導(dǎo)波射線/磁粉/滲透漏磁/渦流聲發(fā)射/磁聲發(fā)射超聲非線性磁巴克豪森磁特性紅外性能強(qiáng)化第5頁，共39頁。1 無損檢測與材料服役狀態(tài)評估現(xiàn)有常用無損檢測方法種類傳感器：壓電、電磁聲、激光超聲聲學(xué)超聲導(dǎo)波脈沖反射TOFD相控陣管道導(dǎo)波蘭姆波SH導(dǎo)波表面波界面波聲學(xué)非線性聲發(fā)射電磁渦流微磁磁特性參數(shù)磁巴克豪森漏磁磁粉脈沖渦流遠(yuǎn)場渦流陣列渦流常規(guī)渦流其它：射線、滲透、光纖、紅外物理現(xiàn)象傳感器與檢測系統(tǒng)特征第6頁，共39頁。內(nèi)容提綱無損檢測與材料服役狀態(tài)評估1材料性能退化的無損檢測方法2非線性超聲檢測方法2.1磁特性參數(shù)檢測方法2.2材料宏觀缺陷的無損檢測方法3聲發(fā)射檢測方法2.3第7

4、頁，共39頁。2 材料性能退化的無損檢測方法宏觀可測量參量材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化無損檢測技術(shù)目標(biāo)技術(shù)要素物理原理微觀結(jié)構(gòu)變化引起的可測參量變化檢測系統(tǒng)傳感器、儀器系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用信號處理、反演第8頁，共39頁。2.1 非線性超聲超聲非線性 物理原理 聲波動實(shí)際上是非線性的，只是在振幅較小的情況下可忽略而取線性近似。 人們發(fā)現(xiàn)材料性能退化可增強(qiáng)透過材料傳播的超聲波非線性，表現(xiàn)為高頻諧波分量增強(qiáng)。利用這一現(xiàn)象可進(jìn)行材料性能退化程度的檢測。超聲非線性檢測材料疲勞狀態(tài)原理示意圖超聲非線性系數(shù)與疲勞生命周期對應(yīng)關(guān)系低周疲勞高周疲勞超聲非線性系數(shù) 材料的超聲非線性系數(shù)與材料的高階彈性常數(shù)有關(guān)，而高階彈性常數(shù)與材

5、料的微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組分或微缺陷密切相關(guān)。第9頁，共39頁。2.1 非線性超聲超聲非線性 檢測系統(tǒng)板狀試件連續(xù)在線監(jiān)測圓棒型試件離線測試典型超聲非線性測量系統(tǒng)第10頁，共39頁。2.1 非線性超聲超聲非線性 疲勞狀態(tài)檢測可評價(jià)區(qū) 非線性超聲無法評價(jià)區(qū)域 采用振動聲調(diào)制非線性超聲可評價(jià)微裂紋采用板狀試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測量超聲非線性時(shí)，需要注意測量的位置 采用宏觀缺陷的無損檢測技術(shù)方法顏丙生.金屬材料力學(xué)性能退化的非線性超聲無損檢測研究D. 2011第11頁，共39頁。2.1 非線性超聲超聲非線性 蠕變狀態(tài)檢測0.30.30.6Krishnan B. Creep damage characteriz

6、ation using a low amplitude nonlinear ultrasonic technique. 2011Krishnan B. Creep damage assessment in titanium alloy using a nonlinear ultrasonic technique. 2008檢測的位置相關(guān)性第12頁，共39頁。2.1 非線性超聲超聲導(dǎo)波非線性 物理原理 當(dāng)蘭姆波在固體板中傳播時(shí),由于介質(zhì)中彈性非線性的存在,必然會導(dǎo)致二次諧波的發(fā)生。因?yàn)樘m姆波存在頻散特性,一般認(rèn)為其很難產(chǎn)生強(qiáng)烈非線性諧波。但當(dāng)滿足一定匹配條件時(shí)：相速度匹配，能量流從基頻模式到諧頻

7、模式的傳遞、群速度匹配，即可產(chǎn)生強(qiáng)烈非線性效應(yīng)。蘭姆波的形成對稱模態(tài)反對稱模態(tài)相速度頻散曲線群速度頻散曲線蘭姆波 是在自由薄板中傳播的一種導(dǎo)波形式。 具有多模態(tài)、頻散的特點(diǎn)。第13頁，共39頁。2.1 非線性超聲超聲導(dǎo)波非線性 系統(tǒng)原理框圖檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)蠕變實(shí)驗(yàn)試件檢測系統(tǒng)及蠕變檢測由于蘭姆波信號積累了傳播路徑上的所有非線性效應(yīng)，因此與傳播距離相關(guān)。適合于對蠕變的長期在線監(jiān)測應(yīng)用項(xiàng)延訓(xùn).高溫構(gòu)件早期損傷的非線性超聲導(dǎo)波評價(jià)方法研究D. 2011第14頁，共39頁。2.2 磁特性參數(shù)磁巴克豪森 物理原理在磁化過程中磁疇發(fā)生跳躍式轉(zhuǎn)向，施放出電磁波，稱為磁巴克豪森噪訊（MBN, Magnetic B

8、arkhausen Noise）。其能量、信號特征等與材料應(yīng)力狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，因此可用于應(yīng)力和材料微觀結(jié)構(gòu)檢測。Magnetic fieldMagnetic Domains第15頁，共39頁。2.2 磁特性參數(shù)磁巴克豪森 疲勞狀態(tài)評估M. Soultan. Mechanical Barkhausen noise during fatigue of iron,2006MBN可用于疲勞狀態(tài)全程評估，在平穩(wěn)段的評估還需研究。MBN可用于對應(yīng)力的測試，且可以測量出不同方向上的應(yīng)力水平。第16頁，共39頁。2.2 磁特性參數(shù)磁巴克豪森 疲勞狀態(tài)評估173MPa173MPa250MPa250MP

9、aQ345第17頁，共39頁。2.3聲發(fā)射檢測方法聲發(fā)射物理原理 是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以應(yīng)力波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。AE System彈性波結(jié)構(gòu)材料源塑性變形相變亞臨界裂紋擴(kuò)展其他源壓力泄漏摩擦及磨損裂紋面閉合與摩擦撞擊磁疇壁運(yùn)動燃燒沸騰凝固與熔化氧化膜、銹皮和熔渣開裂聲發(fā)射傳感器前置放大器聲發(fā)射采集系統(tǒng)第18頁，共39頁。2.3聲發(fā)射檢測方法聲發(fā)射被動聲發(fā)射主動聲發(fā)射 需缺陷自身發(fā)射聲信號，儀器系統(tǒng)只被動地接收信號。因此需在線監(jiān)測缺陷的生長過程。 采用其它方式，使材料產(chǎn)生聲發(fā)射信號，如磁聲發(fā)射檢測技術(shù)，利用磁疇轉(zhuǎn)動過程，發(fā)射的聲信號。第19頁，共39頁。內(nèi)容提綱無

10、損檢測與材料服役狀態(tài)評估1材料性能退化的無損檢測方法2非線性超聲檢測方法2.1磁特性參數(shù)檢測方法2.2材料宏觀缺陷的無損檢測方法3聲發(fā)射檢測方法2.3第20頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷超聲相控陣脈沖回波式TOFD相控陣 超聲相控陣可對整個(gè)探測區(qū)域成像，結(jié)果形象直觀，易于對缺陷進(jìn)行定量分析，有望實(shí)現(xiàn)缺陷高精度三維重構(gòu)，代表了超聲無損檢測的未來和方向。第21頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷超聲相控陣1波源輻射聲場及波在介質(zhì)中傳播問題超聲檢測涉及的三類基本聲學(xué)問題：2超聲波遇到缺陷時(shí)的交互作用問題23由回波信號進(jìn)行缺陷反演的逆問題3 采用解析法、數(shù)值法和有限元法研究 在各向同性介質(zhì)中較好地實(shí)現(xiàn)了解決

11、 主要表現(xiàn)為模態(tài)轉(zhuǎn)換和波的散射 亟待得到更好的解決 缺陷重構(gòu) 亟待得到更好的解決第22頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷超聲相控陣第23頁，共39頁。 . 1234Aij1A-SCAN: Aa(t)a Beam Angle傳統(tǒng)的相控陣檢測一般采用控制延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超聲波在某一方向或某一點(diǎn)的聚焦檢測，也稱為聚焦法則。3 材料宏觀缺陷超聲相控陣第24頁，共39頁。A11A12A13A14A21A22A23A24A31A32A33A34A41A42A43A44 . 234112NS Aij f(jijk)在超聲導(dǎo)波中常用的一種全矩陣信號采集，全聚焦成像檢測的方法被引入到相控陣檢測中，可以有效地提高成像精

12、度，并且使得解調(diào)缺陷的散射特性成為了可能。C Holmes, B W Drinkwater, et al, NDT & E International, 2005P D Wilcox, et al, Ieee Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 2007C Holmes, B W Drinkwater, et al, Ultrasonics, 2008J Zhang, B W Drinkwater, et al, NDT & E International, 2011C Li, et al, NDT

13、 & E International, 2013鄭陽等, 聲學(xué)學(xué)報(bào), 20133 材料宏觀缺陷超聲相控陣第25頁，共39頁。1 Transmitter Pulse71 Measurements71 Measurements如何有效利用全矩陣信號解調(diào)出的缺陷散射場信息實(shí)現(xiàn)缺陷高精度成像超聲波在不同缺陷處的散射特性亟待進(jìn)一步深入研究目前面臨的問題3 材料宏觀缺陷超聲相控陣第26頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷超聲相控陣基于超多陣元柔性激勵(lì)的高端超聲無損檢測儀開發(fā)與應(yīng)用所研制的儀器擬達(dá)到如下關(guān)鍵性能指標(biāo)： 最大激勵(lì)接收通道：256/256PR 激勵(lì)信號的類型：任意波形 激勵(lì)信號電壓幅值：10V-200

14、V(1%) 激勵(lì)信號帶寬：10KHz-20MHz 激勵(lì)通道延遲分辨率：1ns 接收通道的放大倍數(shù)：0dB-80dB 接收通道的濾波器截止頻率：10K-500K；450K-5MHZ；4.5M-10MHZ；9.5M-20MHZ 最大數(shù)字化頻率：100MHz 接收信號波幅分辨率：16位 平均故障間隔時(shí)間（MTBF）400h第27頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷電磁超聲檢測MotorGenerator激勵(lì)過程接收過程磁鐵線圈渦流電磁場固置磁場洛侖茲力磁致伸縮力（鐵磁性）磁化力（鐵磁性）加載瞬態(tài)交變信號第28頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷電磁超聲檢測Angle beam shear waveSurface

15、 WaveLamb Wave ( especially suitable for symmetric mode )SH guided Wave第29頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷電磁超聲檢測壓電傳感器需斜入射經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后形成SV波；EMAT無需波型轉(zhuǎn)換，可在結(jié)構(gòu)中直接產(chǎn)生橫波（SV/SH）。壓電傳感器需斜入射產(chǎn)生Lamb波，難產(chǎn)生對稱模態(tài)，難產(chǎn)生單一模態(tài)；EMAT特別容易產(chǎn)生單一對稱模態(tài)Lamb波?？僧a(chǎn)生獨(dú)特的波模式第30頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷電磁超聲檢測EMAT檢測無需耦合劑指標(biāo)壓電傳感器EMAT重復(fù)測量穩(wěn)定性一般好陣列檢測時(shí)傳感器一致性難易保證很好保證非接觸式測量無法（空氣耦合探頭除外）可以檢測時(shí)打磨材料表面需要無需高溫檢測難（常規(guī)探頭小于60C，高溫探頭一般小于300C）可大于300C第31頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷電磁超聲檢測目前存在的主要問題轉(zhuǎn)換效率相比壓電較低需要寬帶、大功率、線性的激勵(lì)電路需要大增益、高信噪比的采集電路需要對傳感器的激勵(lì)、接收性能做大量優(yōu)化設(shè)計(jì)理論尚不完備是一個(gè)多場耦合的問題對詳細(xì)作用機(jī)制認(rèn)識尚不完全第32頁，共39頁。3 材料宏觀缺陷超聲導(dǎo)波Southwest Research Institute MsSUniversity of Cin