材料蠕变损伤和微组织演化的非线性超声兰姆波评价方法

大量用于石化、电力等工业的压力容器和管道长期在高温环境下运行，由此引发的蠕变损伤会导致材料物理性能退化，是威胁设备运行安全的重要因素。本项目针对金属材料蠕变损伤和微组织演化的无损评价开展研究，提出采用非线性超声兰姆波评价材料蠕变损伤的状态。通过研究兰姆波传播产生的积累二次谐波与蠕变损伤材料微观组织之间的关系，结合金属材料中的位错弦模型理论，将表征材料微观组织结构的参数引入兰姆波二次谐波声场的解析解中，构建超声兰姆波积累二次谐波与材料微观组织结构变化之间的数学模型；对不同蠕变损伤状态下的材料进行显微组织分析，获得材料微观组织参数进行数学模型的计算；对不同蠕变损伤状态下的材料进行超声兰姆波实验测量，研究实验测量结果和数学模型计算结果之间的关系。本项目的研究可望建立采用非线性超声兰姆波技术定量表征金属蠕变损伤状态的新方法和理论，满足金属管道材料蠕变损伤状态早、中期安全监测和无损评价。

高温蠕变损伤是石油化工、电力、核电等工业领域关键设备安全运行的潜在威胁，研究建立其早期损伤检测和评价的科学手段具有重要工程价值。考虑到超声导波适合于板状或管状构件的长距离检测和评价，且具有在构件单侧进行信号激发和接收的优点，结合非线性超声信号对材料微观组织变化非常敏感的特性，本项目针对高温构件蠕变损伤，尤其是早期损伤（宏观裂纹形成之前），提出应用非线性超声兰姆波（Lamb波）对材料的损伤进行检测和评价，研究非线性超声Lamb波传播与蠕变损伤材料微观结构之间的函数关系，建立合理的理论模型进行计算，并通过对不同蠕变损伤状态下的材料进行Lamb波实验测量，从蠕变损伤材料微观组织演化的角度解释非线性Lamb波的变化趋势，初步建立了采用非线性Lamb波评价材料蠕变损伤状态的新方法。.（1）基于Lamb波二次谐波声场解析解，并结合材料位错单极模型，构建了介质微观组织结构与非线性超声Lamb波相互作用的理论模型，将表征材料微观组织变化的参数引入到非线性超声Lamb波的声场解析解表达式中，可以用于介质微观组织变化后非线性超声Lamb波幅值变化的理论计算和分析。.（2）对高温蠕变损伤的Ti60钛合金材料进行了非线性兰姆波实验测量研究，得到了归一化Lamb波声非线性参量随着蠕变损伤程度而变化的关系曲线。该曲线呈现出“上升-下降”的变化趋势，非线性参量最大值出现在蠕变寿命63%左右的阶段。通过对蠕变试样的微观组织演化的分析，结果表明材料蠕变过程中析出相、位错、晶界处微孔洞等产生、聚集和变化是Lamb波声非线性参量变化的主要原因。采用介质微观组织与非线性Lamb波相互作用的模型进行理论计算，结果表明理论计算值和实验测量值之间存在较好的一致性。.（3）采用中断性蠕变试验方法得到了归一化Lamb波声非线性参量与材料蠕变寿命之间的关系曲线，利用该曲线作为损伤试样的定标曲线，初步构建了材料蠕变剩余寿命非线性Lamb波的无损评价方法。