承压钢材微结构损伤的非线性超声表征及信号处理

服役中承压钢材的微结构损伤是影响设备使用寿命并构成安全隐患的主要因素，但现有常规超声探伤技术和其它无损检测技术都难以对其进行有效评判。由于材料非线性超声效应反映了材料内部具有分布特性的微结构损伤对超声波的非线性动态响应，因而能更准确地表征这类损伤特性，为问题的解决提供了新的途径。因此，本项目将从粗晶钢材散射衰减对非线性超声波的影响分析与建模、钢材晶粒尺寸的非线性超声表征、非线性超声检测的信号处理方法、检测系统配置与参数优化等几个突出问题入手，选择典型钢种作为实验对象，通过理论与机理分析、建模、数值分析和模型试验等研究工作的开展，发展一种基于材料非线性超声效应的无损检测方法，包括有关的参数表征和信号处理方法及实验手段，建立被测试样的主要性能参数与非线性超声参量的关系，评价其在不同工作环境下的损伤进展情况，为形成适用于这类材料损伤的无损检测方法与损伤评价手段，提供可靠的理论依据与技术支撑。

针对材料损伤的超声无损检测评价技术，从非线性超声场的理论模型、超声检测系统配置与参数优化、材料参数的超声表征、超声检测信号处理方法、兰姆波散射特性等几个突出问题入手，选择典型承压钢种和板类结构损伤模型，综合利用理论与模型分析、机理分析、数值解析、仿真计算、实验发展等手段，开展应用基础研究。（1）构建了基于RITEC RAM-5000 SNAP的非线性超声检测实验系统，通过对系统中激励参数的优化选择，采用高频发射/接收探头，可对被测试样进行非线性超声检测实验，对接收信号进行频谱分析得到超声非线性系数，可用来表征材料的损伤状况。（2）以核电等领域应用的高强度结构钢P91和SUS304不锈钢为主要被测材料，分别制备了具有不同微结构损伤（高温热损伤、拉伸变形）的试样，开展超声检测实验，结合材料结构与性能分析结果，研究了非线性超声效应与材料参数的关系。结果表明：高温损伤改变了钢材内部的晶体结构，随着加热温度的升高，晶粒长大和组织转变明显，超声非线性系数也随之增大；拉伸变形改变了钢材的位错密度，非线性系数和位错密度均随应变的增加而增大，且两者的增加趋势一致，表明了非线性超声效应对于这类材料损伤检测评价的有效性。（3）建立了一种利用有限元来计算钢材高温蠕变损伤的非线性超声效应的方法，通过模拟钢材高温蠕变过程与声波在损伤试样中的传播过程，得到回波信号并提取二次谐波分量，与相同条件下实验结果的吻合验证了模型的有效性，为非线性超声评价提供了仿真模型。（4）针对缺陷或损伤对超声波的频散特性、超声信号的时变非平稳特性、测试回路的噪声影响等问题，研究了时频分布和匹配追踪等方法在多种模式超声回波信号处理中的应用，为有效去除检测信号中的冗余信息、提高缺陷检测精度提供了技术支撑。（5）提出了一种各向同性板圆形盲孔的兰姆波散射解析模型，利用Mindlin板理论同时描述平面和弯曲波模式，利用波函数展开法和孔边缘的边界条件，对远场散射的三种基本导波模式进行评估，并利用三维理论研究了板上圆形盲孔缺陷的高频S0模式的散射特性。提出了一种基于泊松理论的分析模型，用来预测在遍历各向同性复合板上的筒状非均匀S0波的散射特性。这些研究为形成适用于板类结构损伤的无损检测评价手段提供了理论模型。