专利名称：一种金属材料断裂韧性的无损检测方法
技术领域：
本发明属于机械结构安全保障和无损评价技术领域，具体涉及一种金属材料断裂韧性的无损检测方法。
背景技术：
金属材料,如不锈钢、钛合金、镍基合金等，广泛应用于石油化工、火电核电、汽车以及航空等行业中，由这些材料制造的部件大多长期在高温、高压等恶劣环境下工作，它们将不可避免地受到高温、蠕变、疲劳损伤，引起材料性能退化，从而导致材料失效，引发安全事故，因此，对这些在役设备及部件进行健康监测和检测以获得材料的剩余强度是十分必要和迫切的。断裂韧性作为表征材料阻止裂纹扩展能力的一个定量指标，在工程实践中对材料的结构完整性评定、剩余强度分析起着至关重要的作用。如何实现对金属材料断裂韧性进行快速和有效的安全检测仍然是一个亟待解决的重要课题。目前，传统的夏比冲击试验、三点弯曲试验、紧凑拉伸试验能够获得冲击功、J-R阻力曲线、起裂门槛值等材料断裂韧性参数，这些参数可作为标定材料剩余强度的依据。但是传统的断裂韧性试验需要在服役设备上取相当大的试样，取样后还需在取样部位进行焊接修补，这种修补会对设备的整体性能产生相当不利的影响。近二十年来发展起来的小冲杆试验方法受到国内外研究者的极大关注，因为该方法可以弥补传统断裂韧性试验取样较大的缺点，它是一种近似无损的微试样取样及测试技术，试验结果可以和传统的断裂韧性试验结果进行对比，以得到断裂韧性结果。传统断裂韧性试验以及小冲杆试验方法虽然都能综合的反映出材料的力学 性能，但是这些方法的缺点也是显而易见的1)这些断裂韧性试验的材料只能从结构的局部范围内取得，即基于有限的统计数据基础上，不能反映构件整体力学性能，而且过多的采样又会造成分析过程耗时费力，不利于快速检测分析。2)取样范围一般只能在材料表面部分进行，不能反映出结构内部的实际损伤状态。目前认为可用于金属材料断裂韧性无损检测或评价的技术主要有电化学技术、电阻率测量、涡流检测等，然而这些技术仍处于研究阶段，目前的还未能有效的、快速的达到无损检测和评价金属材料断裂韧性的目的，尤其是还未能定量检测材料的断裂韧性。

发明内容
本发明的目的在于克服现有金属材料断裂韧性检测技术中存在的不足，提供一种新型的金属材料断裂韧性的无损检测方法，利用超声二次谐波定量无损地检测金属材料的断裂韧性。本发明的金属构材料断裂韧性的无损检测方法包括以下步骤(a)选择与待测金属材料材质相同的原材料试样作为未损伤试样，利用加速老化试验制作N种不同损伤程度的试样，每种损伤程度试样各η个；(b)对每种损伤程度的η个试样分别在不同温度下进行夏比冲击试验，获得-ιοοηοο 范围内的吸收能量-温度变化曲线，该曲线纵坐标数值范围的中点所对应的温度，即为该种损伤程度的试样对应的脆性转变温度FATT ；(c)选取每种损伤程度的η个试样中夏比冲击试验温度最接近其脆性转变温度的I个试样，进行超声二次谐波测量，从而获得经该试样传播后的信号的基频幅值Am和二次谐波幅值A"，其中i=(TN-l ；(d)计算每种损伤程度的试样的等效非线性参量总=為,/4^以及超声二次谐波非线性参量归一化值β /βο;(e)通过断裂韧性试验或借鉴断裂强度因子Krc与FATT的经验关系式，获得每种损伤程度的试样的断裂强度因子Kk，作出断裂强度因子Kk与超声二次谐波非线性参量归一化值Pi/的关系曲线，即为无损检测断裂韧性的标定曲线；(f)对待测金属材料进行超声二次谐波测量，得到经待测金属材料传播后的信号的基频幅值Am和二次谐波幅值A2，d ;计算待测金属材料的等效非线性参量β d = K2Jk2hi以及超声二次谐波归一化值β d/ ;在步骤(e)获得的断裂强度因子Krc与超声二次谐波非线性参量归一化值Pi/的关系曲线上找到Pd/β C1对应的断裂强度因子Kiad，即为待测金属材料的断裂韧性值。根据本发明，所述步骤(a)中，N彡5且11彡8。根据本发明，所述步骤(a)中，所述加速老化试验的温度大于待测金属材料所处的实际工况温度，所述加速老化试验中的试样最长老化时间经元素扩散理论转换后大于100000 小时。根据本发明，所述步骤(a)中，所述N种不同损伤程度的试样通过连续性等温热处理试验或者中断性等温热处理试验得到。根据本发明，所述 步骤(b)和(C)中，所述夏比冲击试验由三点弯曲试验或紧凑拉伸试验代替。根据本发明，所述步骤(C)中，通过依次连接的基频信号发生系统、基频纵波换能器、试样、二次谐波纵波换能器和数字示波器进行所述超声二次谐波测量，其中，试样的一个表面与基频纵波换能器耦合，与该表面相平行的另一表面与二次谐波纵波换能器相耦
口 ο根据本发明，所述基频信号发生系统包括信号发生器、功率放大器和滤波器。根据本发明，所述基频纵波换能器和二次谐频纵波换能器由铌酸锂、石英或压电陶瓷材料制成。根据本发明，所述基频信号发生系统的中心频率为f 10MHz。根据本发明，所述基频纵波换能器的中心频率与基频信号发生系统的中心频率保持一致，而二次谐频纵波换能器的中心频率为基频信号发生系统的中心频率的两倍。根据本发明，所述步骤(e)中，对于CrMoV系列材料，可采用如下经验式获得每种损伤程度的试样的断裂强度因子Krc KIC=6600/ [60- (T-FATT)]其中，Krc的量纲为MPa · m1/2，Kic的测试温度T和FATT的量纲均为V。根据本发明，所述步骤(e)，所述断裂强度因子Krc与超声二次谐波非线性参量归一化值ο的关系曲线为单调递增曲线、单调递减曲线、单峰曲线或单谷曲线。本发明的金属材料断裂韧性的无损检测方法，能对在役部件的金属材料的断裂韧性进行检测和评价，为金属材料的安全服役提供可靠的依据。检测速度快，对在役部件不会造成破坏，检测成本低；检测准确度高，误差能够满足工程要求；检测覆盖金属材料的表面及内部；尤其适合跟踪金属材料早期、中期的断裂韧性，这是现有其它无损检测手段难以媲美的。


图1为超声二次谐波测量的试验装置示意图；图2是根据本发明实施例得到的ICr-1Mo-O. 25V转子钢脆性断裂强度因子Kk与超声二次谐波非线性参量归一化值的关系曲线图。
具体实施例方式本发明的技术构思是这样的金属材料经过热损伤、疲劳蠕变损伤后的性能退化与超声在材料中传播的非线性效应关系密切，即材料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非线性谐波的产生。金属材料中的位错弦模型(Dislocation String Model) [HikataA, Chick B, Elbaum C. Dislocationcontribution to the second harmonic generation of ultrasonic waves. J. Appl.Phys. 1965，36(1) :229-236]认为晶体中的位错与位错的相互作用或内部的点缺陷等会在位错线上形成钉轧点(Pinning Point),在这些钉轧点上,位错线不容易运动，但在相邻的两个钉轧点之间，位错线在应力的作用下会产生类似于两端固定的弦的受迫振动，这种振动会产生其它频率的谐波，从而使一列单频率波产生高频谐波分量。同样的，金属材料在老化损伤过程中发生的时效反应，如析出相的发生也会对材料中位错线形成钉轧作用，从而引起超声在材料内部传播时谐波成分的增加。金属材料在服役过程中会发生损伤行为(如热损伤、疲劳损伤、蠕变损伤、疲劳和蠕变交互作用损伤等)，引起材料的韧性退化，伴随着的位错变化、析出相变化、孔洞的变化等，这些变化会引起材料内部超声传播过程中非线性发生效应的变化，这为本发明利用超声二次谐波无损检测金属材料的断裂韧性情况提供了理论依据。以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。 待测金属材料为一种ICr-1Mo-O. 25V转子钢，其成分如表I所示
表I ICr-1Mo-O. 25V转子钢化学成分(单位wt. %)
权利要求
1.一种金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤(a)选择与待测金属材料材质相同的原材料试样作为未损伤试样，利用加速老化试验制作N种不同损伤程度的试样，每种损伤程度试样各η个；(b)对每种损伤程度的η个试样分别在不同温度下进行夏比冲击试验，获得-ιοοηοο 范围内的吸收能量-温度变化曲线，该曲线纵坐标数值范围的中点所对应的温度，即为该种损伤程度的试样对应的脆性转变温度FATT ；(c)选取每种损伤程度的η个试样中夏比冲击试验温度最接近其脆性转变温度的I个试样，进行超声二次谐波测量，从而获得经该试样传播后的信号的基频幅值Am和二次谐波幅值A"，其中i=0 N-l ；(d)计算每种损伤程度的试样的等效非线性参量及=為,./為2,以及超声二次谐波非线性参量归一化值β i/β。；Ce)通过断裂韧性试验或借鉴断裂强度因子Krc与FATT的经验关系式，获得每种损伤程度的试样的断裂强度因子Kk，作出断裂强度因子Kk与超声二次谐波非线性参量归一化值的关系曲线，即为无损检测断裂韧性的标定曲线；(f)对待测金属材料进行超声二次谐波测量，得到经待测金属材料传播后的信号的基频幅值Alid和二次谐波幅值A2，d ;计算待测金属材料的等效非线性参量β d = K2Jk2hi以及超声二次谐波归一化值β d/ ;在步骤(e)获得的断裂强度因子Krc与超声二次谐波非线性参量归一化值的关系曲线上找到对应的断裂强度因子Kiad，即为待测金属材料的断裂韧性值。
2.根据权利要求1所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(a)中，N≥5且打≥8。
3.根据权利要求1或2所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(a)中，所述加速老化试验的温度大于待测金属材料所处的实际工况温度，所述加速老化试验中的试样最长老化时间经元素扩散理论转换后大于100000小时。
4.根据权利要求1或2所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(a)中，所述N种不同损伤程度的试样通过连续性等温热处理试验或者中断性等温热处理试验得到。
5.根据权利要求1或2所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(b)和(C)中，所述夏比冲击试验由三点弯曲试验或紧凑拉伸试验代替。
6.根据权利要求1或2所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(C)中，通过依次连接的基频信号发生系统、基频纵波换能器、试样、二次谐波纵波换能器和数字示波器进行所述超声二次谐波测量，其中，试样的一个表面与基频纵波换能器耦合，与该表面相平行的另一表面与二次谐波纵波换能器相耦合。
7.根据权利要求6所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述基频信号发生系统包括信号发生器、功率放大器和滤波器。
8.根据权利要求6所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述基频纵波换能器和二次谐频纵波换能器由铌酸锂、石英或压电陶瓷材料制成。
9.根据权利要求6所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述基频信号发生系统的中心频率为f 10MHz。
10.根据权利要求9所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述基频纵波换能器的中心频率与基频信号发生系统的中心频率保持一致，而二次谐频纵波换能器的中心频率为基频信号发生系统的中心频率的两倍。
11.根据权利要求1或2所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(e)中，对于CrMoV系列材料，可采用如下经验式获得每种损伤程度的试样的断裂强度因子Krc:LIC=6600/ [60- (T-EATT)]其中，Krc的量纲为MPa · m1/2，Kic的测试温度T和FATT的量纲均为。C。
12.根据权利要求1或2所述的金属材料断裂韧性的无损检测方法，其特征在于，所述断裂强度因子Krc与超声二次谐波非线性参量归一化值β i/ 的关系曲线为单调递增曲线、单调递减曲线、单峰曲线或单谷曲线。
全文摘要
本发明公开一种金属材料断裂韧性的无损检测方法，主要包括利用不同损伤程度的试样进行夏比冲击试验，得到试样的脆性转变温度；对每种损伤程度的试样进行超声二次谐波测量，从而获得该种损伤程度的试样的超声二次谐波非线性参量归一化值；通过断裂韧性试验或借鉴断裂经验关系式，获得每种损伤程度的试样的断裂强度因子，作出无损检测断裂韧性的标定曲线；对待测金属材料进行超声二次谐波测量，得到待测金属材料的超声二次谐波归一化值；利用标定曲线获得待测金属材料的断裂韧性值。本发明的金属材料断裂韧性的无损检测方法，能对在役金属部件的材料断裂韧性进行检测和评价，为金属材料的安全服役提供可靠依据。
文档编号G01N3/00GK103063508SQ20121057695
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者轩福贞, 张剑锋, 刘长虹, 项延顺, 涂善东 申请人:华东理工大学