微细观尺度下材料蠕变行为的非线性兰姆波评价理论与表征方法

The key components applied in petrochemical industry, power plants, nuclear power and aeroengine are usually subjected to high-temperature exposure and then undergo degradation of strength due to creep damage, which would be a potential threat to the safety of equipment operation. The current project aims to investigate a new nondestructive evaluation method using nonlinear Lamb waves for characterizing the creep behaviors in materials with micro- and meso-scale structure evolution. First, the selection and optimization of nonlinear Lamb wave excitation mode can be determined by studying the energy flow density transferring from the fundamental Lamb wave to the second-harmonics during wave propagation. An analytical model of the interaction between the nonlinear Lamb wave and microstructure evolution is proposed for characterizing creep behavior including coherency precipitation, non-coherency precipitation and micro-void. Then, the influences of different creep behaviors on nonlinear Lamb wave propagation are interpreted in the perspective of microstructure evolution analysis. The finite element method (FEM) simulation is carried out to investigate the features of nonlinear Lamb waves propagating in various crept specimens. Finally, based on phenomenological research, an evaluation method relating to nonlinear Lamb wave-microstructures-structure integrity (residual life) could be established by analytical model computations, FEM simulations and experimental measurements. The researches of this project would provide a potential new ultrasonic testing technology for creep damage and residual life prediction of materials using the nonlinearity of Lamb waves.

在石油化工、电力、核电、航空发动机等重要工业领域中广泛存在高温下运行服役的核心构件，其服役过程中的蠕变损伤是威胁设备安全运行的重要因素。本项目针对微细观尺度下材料的蠕变行为，发展和完善非线性超声Lamb波的评价理论和表征方法。通过研究基频Lamb波模式传播过程中转入二次谐波的能量流密度来选择和优化非线性Lamb波激发模式；构建蠕变全过程状态下包括共格析出相、非共格析出相以及微孔洞等材料微观组织演化和非线性Lamb波之间相互作用的评价理论；从微观角度研究材料不同蠕变行为对非线性Lamb波传播的影响，并开展有限元仿真计算模拟非线性Lamb波在不同蠕变试样中传播特性的研究；最后利用理论模型计算、有限元仿真计算、实验测量数据，基于唯象方法构建非线性Lamb波-微观组织-结构完整性（剩余寿命）三者相关的表征方法。本项目的研究将发展非线性Lamb波表征材料蠕变损伤及剩余寿命预测的新的超声检测技术。

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，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，提出应用非线性超声兰姆波对材料的损伤进行检测和评价，构建非线性Lamb波模式选择和优化方法，建立材料微观组织结构与非线性Lamb波相互作用理论模型，揭示蠕变损伤材料微观组织演化对非线性Lamb波传播的作用机理，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）基于导波模式展开分析方法，提出激发效率参量并构建激发效率参量图谱作为基频Lamb波模式选择和优化的依据。实验测量激发效率与理论激发效率参量较为一致，证明激发效率参量图谱用于非线性Lamb波模式选择和优化的有效性。.（2）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，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。.（3）对高温蠕变损伤的P92钢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“下降-上升”的变化趋势，非线性参量最小值出现在蠕变寿命30%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。.（4）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。