GH4169高温合金疲劳寿命非线性超声检测研究

基于超声无损检测理论,研究金属板材弯曲疲劳引起的超声非线性波动规律,建立相对非线性超声系数β′、δ′与基波、谐波幅值定量关系。利用位错模型解释了金属材料存在晶格微缺陷或应力时,超声二阶与三阶非线性系数β、δ的变化趋势。建立非线性超声检测系统,测量GH4169高温合金板材疲劳弯曲试验过程中超声相对非线性系数β′、δ′的变化趋势。实验结果表明:随着疲劳寿命的增加,相对非线性系数单调增加。二阶与三阶相对非线性系数与疲劳寿命关系转折点分别出现在疲劳寿命80%左右和60%左右。在第一阶段相对非线性系数随着疲劳寿命单调增大,在第二阶段相对非线性系数随着疲劳寿命增加出现波动或保持不变,甚至出现下降现象。对于二阶相对非线性系数,实验曲线与位错综合模型预测数据具有较好的一致性。对于三阶相对非线性系数,实验曲线与位错偶模型预测数据具有较好的一致性。     

非线性超声检测镁合金疲劳的仿真和试验

为了利用非线性超声检测AZ31镁合金的早期疲劳损伤,通过现有的本构关系建立了非线性超声检测有限元模型,计算了材料疲劳引起的内部微缺陷长度、数量和宽度变化对非线性超声系数的影响.计算结果表明,材料疲劳产生的微缺陷是产生二次谐波的原因,有限元方法可以有效模拟镁合金材料的超声非线性效应.进行了两个镁合金疲劳试件的非线性超声在线检测试验,研究发现,在镁合金疲劳早期,超声非线性系数随疲劳加载周数单调增加,但在疲劳后期出现了超声非线性系数减小的现象.试验结果表明,超声非线性系数对疲劳早期损伤非常敏感,可以用来表征材料的早期疲劳损伤程度,有限元计算结果与试验结果相吻合.     

汽轮机叶片钢拉伸塑性损伤非线性超声检测

针对汽轮机叶片早期塑性损伤检测困难的问题,提出非线性超声纵波检测法。通过建立汽轮机叶片钢试件非线性纵波检测有限元模型,得出了相对超声非线性系数随微缺陷长度增加呈二次函数增大,随微缺陷数目增多呈线性增加的关系。同时,建立了非线性超声纵波检测系统,对拉伸到不同塑性变形程度的汽轮机叶片钢试件进行检测,检测结果表明,在汽轮机叶片钢抗拉强度以前,归一化超声非线性系数随拉伸强度的增加而增大。因此,利用非线性超声纵波对汽轮机叶片早期塑性损伤进行检测是完全可行的。     

非线性超声检测镁合金早期疲劳的试验研究

为利用基于二次谐波的非线性超声方法检测镁合金材料的早期疲劳损伤,建立超声非线性系数β的测试试验系统,设计制作预设应力集中区的厚板镁合金疲劳试件,并通过有限元法仿真应力集中区的有效性.对三个不同疲劳加载模式的镁合金试件进行非线性超声检测试验研究.结果表明,在疲劳寿命的早期,三个试件的超声非线性系数均随疲劳周数明显增加.同时,测量其中一个试件在非应力集中区的超声非线性系数,与应力集中区相比,超声非线性系数变化幅度只有应力集中区的27％,进一步表明超声非线性系数的变化来源于镁合金材料疲劳引起的微缺陷变化,也证实试验的可靠性.另外,波速和弹性常数的试验结果表明,这两个线性参数对于镁合金材料的早期疲劳损伤不如超声非线性系数敏感.     

TP347HFG钢高温老化非线性超声检测技术

高温老化过程和早期损伤快速检测研究对TP347HFG这种脆性大,稳定扩展期短的奥氏体耐热钢非常重要。非线性超声技术对微纳米尺度缺陷敏感,在早期损伤检测方面具有极大的应用潜力。利用非线性超声技术得到材料热损伤程度与超声非线性系数之间的关系曲线,并根据材料的显微组织演变特征进行分析。结果显示,TP347HFG钢的超声非线性系数随时效时间的增加,首先在500 h时出现极大值点,然后单调增加,这种趋势与材料共格应变状态的形成和失去有关。试验结果为高温工况下TP347HFG钢非线性超声检测提供了理论依据。     

非线性超声技术表征金属和有机材料塑性损伤的对比试验研究

非线性超声信号对材料微观组织演化非常敏感,可用于材料早期服役损伤的检测与表征。基于非线性超声纵波信号测量,研究纯铜和有机高分子材料PMMA的超声非线性参量随着材料塑性损伤程度的变化关系。试验结果表明,随着塑性应变的增加,纯铜的超声非线性参量随着变形量的增加而显著增大,而PMMA材料的超声非线性参量几乎不变。利用扫描电子显微镜与透射电子显微镜分别对两种材料进行微观组织观察,发现纯铜在塑性变形过程中位错密度逐渐增加,这可能是导致超声非线性参数增大的主要因素。无位错结构的PMMA材料在塑性变形过程中仅发生了高分子链段的变化,而非线性超声信号对此却不太敏感。从试验结果可以看出,材料损伤过程中位错结构的演化能引起非线性超声信号的显著变化。     

金属材料拉伸应力非线性超声特性研究

使用摄动法求解小应变情况下一维非线性波动方程,研究超声波在固体介质中传播时非线性波动规律,分析二阶非线性系数β、三阶非线性系数δ与基波和各次谐波关系。据此研究金属材料在拉伸应力变化时,高阶非线性系数β、δ等参数随拉伸应力变化规律。构建非线性超声检测系统,测量2024铝合金和45钢在拉伸试验过程中非线性系数β、δ的变化趋势。试验结果表明:非线性系数与拉伸应力σ呈单调上升关系。对于2024铝合金,当拉伸应力σ小于屈服极限的84.6%时,二阶非线性系数β与拉伸应力σ近似成线性关系;当拉伸应力σ大于屈服极限84.6%时,二阶非线性系数β随拉伸应力σ的增加变化很小。对于45钢,当拉伸应力σ小于屈服极限的84.5%,二阶非线性系数β与拉伸应力σ近似成线性关系;当拉伸应力大于屈服极限的84.5%时,二阶非线性系数β急剧增加。对于三阶非线性系数δ,2024铝合金和45钢转变点分别出现在屈服极限的76.9%和78.9%处。二阶与三阶非线性系数对于拉应力具有不同的灵敏度,三阶非线性系数δ比二阶非线性系数β对应力的变化更为敏感。     

金属材料力学性能退化非线性超声检测实验系统优化

材料早期力学性能退化总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为,从而引起超声波传播的非线性,即高频谐波的产生.查超声非线性系数非常小,易被测量系统的非线性干扰淹没.通过实验仪器的选择和夹具的设计,改进了一套非线性超声测试实验系统.在相同条件下测得同一试件在不同输入电压下的二次谐波幅值和基波幅值平方近似线性关系,表明实验系统是可靠的.利用该系统进行了一组LY12铝合金拉伸试件非线性超声检测实验.在塑性阶段,随着拉伸应力的增大超声非线性系数显著增加.实验结果表明,超声非线性系数可以表征金属材料的力学性能退化程度.     

钢结构工程中高强度螺栓轴向应力的超声测量技术

为确保钢结构工程的可靠性和安全性,必须严格控制连接螺栓的预紧力,必要时还要在线监测螺栓工作应力。依据声弹性原理,提出了利用高强度螺栓轴向应力与拧紧前后超声波渡越时间差的关系,结合螺栓材料系数、夹紧厚度等参数,间接检测螺栓轴向应力的方法。克服了耦合层厚度的离散以及温度变化造成的测量误差,大幅度提高了应力的测量精度。在此基础上,提出了材料系数预测、校正的方法。精度分析结果表明,螺栓应力测量精度优于5％,可满足绝大多数工业现场的要求。     

非线性超声谐振方法及在结垢检测中的应用研究

针对压力容器和管道安全运行需要,发展了一种非线性超声谐振结垢检测方法。从理论上分析非线性细观弹性材料因迟滞效应引起的非线性弹性本构关系。研究发现,随着超声波激励幅值的增加,迟滞导致的非线性效应主要表现为超声波谐振频率向低频偏移和谐振频谱品质因数的变化。对涂有不同厚度模拟结垢的板试件进行非线性超声谐振检测试验,研究了激励电压水平对基波及二次谐波谐振频谱的影响规律,提出基于二次谐波弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数的结垢层厚度表征方法。在此基础上,将非线性超声谐振检测方法应用于实际工程中炉管结垢层检测,结果表明,利用二次谐波的弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数能较好反映炉管结垢状况。研究工作为实际工程中炉管结垢层检测提供了新的思路和方法。     

微机化的多通道超声螺栓应力仪

本文介绍了一种新型的由微机控制及显示的超声应力仪的工作原理,该仪器可同时测定２４根螺栓应力,文章提出了声时差法测预紧应力,并推导了声时差同轴向应力以及三阶弹性常数的关系。采用声时差法多探头同时测量同一法兰上的各螺栓的预紧应力,可以克服偶合误差,可免测三阶弹性常数及温度等,使测量过程简便且严谨高。程序在Ｗｉｎｄｏｗｓ下设计,操作简便,应力能以多种图形方式显示。实验结果表明应力你于２５０ＭＰａ,夹紧距     

Research Review of Principles and Methods for Ultrasonic Measurement of Axial Stress in Bolts

Bolts are important fasteners indispensable in the manufacturing field for their advantages, which include convenient assembly and disassembly, easy maintenance, refastenability to prevent looseness, and the avoidance of a phase change in the connected material composition. The precise control of the tightening force in bolts is closely related to the safety and reliability of the connected equipment or structure. Although there are many methods for estimating the tightening force applied to a bolt during assembly, poor accuracy in controlling the preload during the tightening process and a lack of monitoring to determine the residual axial force in service remain issues in evaluating the safety of bolted assemblies. As a nondestructive testing technology, ultrasonic measurement can be applied to successfully address these issues. In order to help researchers understand the theoretical basis and technological development in this field and to equip them to conduct further in-depth research, in this review, the basic knowledge describing the state of stress and deformation of bolts, as well as conventional testing methods are summarized and analyzed. Then, through a review of recent research of the ultrasonic measurement of the axial stress in bolts, the influence of the e ective stressed length and temperature are analyzed and proposed methods of calibration and compensation are reviewed. In order to avoid coupling errors caused by traditional piezoelectric transducers, two newly proposed ultrasonic coupling technologies, the electromagnetic acoustic transducer(EMAT) and the permanent mounted transducer system(PMTS), are reviewed. Finally, the new direction of research of the detection of residual axial stress in in-service bolts that have been assembled to yield is discussed.     

基于高频柱面超声导波的螺栓轴向应力测量

基于金属杆件中高频超声导波的传播特性,提出使用柱面导波高阶不同模态群速度比值的单探头螺栓轴向应力测量方法。使用数值方法求解考虑晶粒散射衰减的Pochhammer-Chree方程,得到了导波群速度衰减系数频散曲线,并分析了其在高频区的传播规律。结合非线性声学以及弹性力学理论,推出基于群速度比值的螺栓轴向应力测量方法。搭建超声应力测量平台,讨论了脉冲超声激励下的实测导波信号特点并提出使用经验小波算法对信号进行模态分解,有效获取了信号中特定模态的群速度。使用该方法以及传统的纵横波声时比法进行了螺栓轴向应力对比标定和测量实验,结果表明前者平均测量误差约为4%,其精度明显高于传统方法(平均测量误差6%)且具有更简便的测量流程。     

地脚螺栓相控阵柱面超声导波换能器的设计及应用

设计了一种用于地脚螺栓缺陷检测及腐蚀评估的相控阵超声导波换能器,通过对换能器阵列型式、阵元个数、频率、晶片尺寸的合理设计,可以有效避免螺纹反射回波的干扰,提高信噪比和缺陷检测结果的可靠性,并通过检测案例进行了验证。     

高速动车组螺栓周向阵列相位控制超声导波检测方法

分析了高速动车组螺栓缺陷产生的原因,介绍了常见的螺栓缺陷检测方法,以及高速动车组螺栓检测的难点。在此基础上,提出了高速动车组螺栓周向阵列相位控制超声导波检测方法。介绍了检测原理,论述了周向阵列相位控制方法,并进行了试验验证。     

304不锈钢点蚀损伤的非线性超声表征

利用非线性超声表面波检测技术实现了对304奥氏体不锈钢点蚀损伤的无损表征。将固溶态304奥氏体不锈钢在质量分数为6.0%,10.0%,14.0%的FeCl_3溶液中,分别浸泡6,12,18h。利用OLS4000激光共聚焦显微镜对浸泡试样进行表面形貌的观察、稳态点蚀孔三维形貌以及尺寸的测量,利用RAM-5000测量超声表面波非线性系数,基于蚀孔微观形貌和尺寸变化分析点蚀损伤的非线性系数变化规律。结果表明:归一化非线性系数随超声表面波传播距离的增加而逐渐增大;表面波传播距离一定时,归一化非线性系数随浸泡时间的延长和溶液质量分数的升高而单调递增。超声波与点蚀引起的材料不连续界面相互作用,造成界面间的应力-应变非线性效应,且非线性效应随点蚀损伤的加剧被累积,这一结论对奥氏体不锈钢点蚀研究具有较大的参考价值。     

Nondestructive testing and characterization of residual stress field using an ultrasonic method

To address the difficulty in testing and calibrating the stress gradient in the depth direction of mechanical components, a new technology of nondestructive testing and characterization of the residual stress gradient field by ultrasonic method is proposed based on acoustoelasticity theory. By carrying out theoretical analysis, the sensitivity coefficients of different types of ultrasonic are obtained by taking the low carbon steel(12%C) as a research object. By fixing the interval distance between sending and receiving transducers, the mathematical expressions of the change of stress and the variation of time are established. To design one sending-one receiving and oblique incidence ultrasonic detection probes, according to Snell law, the critically refracted longitudinal wave (LCR wave) is excited at a certain depth of the fixed distance of the tested components. Then, the relationship between the depth of LCR wave detection and the center frequency of the probe in Q235 steel is obtained through experimental study. To detect the stress gradient in the depth direction, a stress gradient LCR wave detection model is established, through which the stress gradient formula is derived by the relationship between center frequency and detecting depth. A C-shaped stress specimen of Q235 steel is designedto conduct stress loading tests, and the stress is measured with the five group probes at different center frequencies. The accuracy of ultrasonic testing is verified by X-ray stress analyzer. The stress value of each specific depth is calculated using the stress gradient formula. Accordingly, the ultrasonic characterization of residual stress field is realized. Characterization results show that the stress gradient distribution is consistent with the simulation in ANSYS. The new technology can be widely applied in the detection of the residual stress gradient field caused by mechanical processing, such as welding and shot peening.     

基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪

基于电磁超声技术,研制了一款手持式高强度螺栓轴力测量仪,具有非接触、无需打磨、无需耦合剂和实时测量的特点.设计了可同时激发横波和纵波的电磁超声探头,实现了双波法轴力测量,能够解决在役螺栓长度未知的问题;设计了基于FP GA的高频大功率脉冲发射模块和低噪声信号调理模块,实现了电磁超声探头的激励与超声信号的接收;设计了基于...     

考虑高温蠕变的螺栓和法兰材料的选配*

螺栓和法兰材料的选择是影响螺栓法兰接头密封性能的重要因素,特别是在高温条件下服役,螺栓法兰发生蠕变的情况下。分别选择法兰蠕变速率大于螺栓蠕变速率以及小于螺栓蠕变速率的两组配合方式,通过传热分析、热-结构耦合分析以及高温蠕变分析,对比研究其密封性能。结果表明:螺栓蠕变和法兰蠕变都会引起螺栓应力重新分配,随着时间延长螺栓蠕变的累积会导致螺栓截面应力越来越均匀;但法兰蠕变的累积会降低法兰刚度,致使偏转角增大进而导致螺栓内外侧受力相差越来越大;法兰蠕变速率越大,法兰整体刚度下降越快,法兰服役周期越短,因此选择高温服役的螺栓法兰接头材料时,选取的法兰材料蠕变速率不能太大,且抗蠕变性能要比螺栓材料强。