基于超聲的材料塑性變形裂紋擴展?fàn)顟B(tài)-波形變化-材料力學(xué)特性的對應(yīng)關(guān)系

基于超聲的材料塑性變形裂紋擴展?fàn)顟B(tài)-波形變化-材料力學(xué)特性的對應(yīng)關(guān)系

復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)近年來，超聲作為一種環(huán)保的無損檢測方法，在對鑄造、電纜、焊接等零件和附件的檢驗中得到了廣泛應(yīng)用，取得了很大的進步和發(fā)展。隨著非線性無損檢測技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展,對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的全方面無損檢測的需求更為急迫。本文在無損檢測的基礎(chǔ)上,提出采用超聲波NDT對服役過程中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進行實時檢測,即根據(jù)超聲波傳播時的波形幅值及聲程的變化來監(jiān)測材料的力學(xué)性能,不但為服役狀態(tài)下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的壽命評估奠定了堅實的基礎(chǔ),也為材料的力學(xué)性能、疲勞損傷的在線監(jiān)測提供有力的依據(jù),同時對于保證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件運營的安全、指導(dǎo)維修也都具有十分重要的作用。1超聲ndt在線結(jié)構(gòu)的重要裂紋監(jiān)測試驗1.1拉伸性能試驗采用45鋼、鑄鐵兩種材料,分別制備圓柱形拉伸試樣各5個,試件的尺寸為直徑8mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件。為了優(yōu)化耦合形狀,將加工好的圓柱形試件進行研磨處理,使表面粗糙度Ra?2.5μm。1.2拉伸試驗監(jiān)測將上述加工好的兩種材料,共10個試件兩兩一組,分為5組,利用WDW3035微機電子式萬能試驗機對標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形拉伸試件進行拉伸試驗。為了使應(yīng)變測試簡單和保證塑性變形均勻,拉伸速度選為0.5mm/min;為測量每個試件在拉伸過程中的應(yīng)變,在試件的中間位置和上端,分別貼上線性應(yīng)變片,并使用AFT-0951雙通道動態(tài)應(yīng)變儀及示波器等儀器測出電壓,通過電壓計算出拉伸過程中的試件的應(yīng)變;通過TZ-2H型超聲波探傷儀對正在加載過程的拉伸試件進行實時監(jiān)測,選擇密度為0.92g/cm3的機油作為耦合劑,選擇頻率為2.5MHz,采用角度為45°的斜探頭進行檢測,記錄超聲波探傷儀顯示屏上的波形形狀、幅值及聲程的變化(塑性變形量不同,波形不同),同時記錄拉伸試驗機上材料的力學(xué)性能參量和塑性變形量,繼續(xù)拉伸一段長度,重復(fù)上述操作,直至試件發(fā)生斷裂為止。如圖1所示。由拉伸試驗機的控制端口讀取拉伸試件的位移-載荷曲線圖,并對數(shù)據(jù)進行處理,建立塑性變形-波形幅值及頻率變化-材料的力學(xué)特性的關(guān)系,即可以對金屬材料初期塑性變形和疲勞損傷程度的特征參量進行實時預(yù)測。2試驗結(jié)果與討論2.1超聲探傷的檢測工藝試驗驗證45鋼拉伸位移-載荷曲線如圖2所示,分為彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段,相對應(yīng)的試件內(nèi)塑性變形階段分為裂紋萌生、穩(wěn)定擴展、后期擴展和試件失穩(wěn)斷裂4個階段。由于每個階段內(nèi)超聲波探傷的波形大致相同,每個階段相應(yīng)的波形如圖3所示,對應(yīng)45鋼拉伸時的彈性階段波形圖為裂紋萌生階段,此時材料彈性性質(zhì)、變形、微觀結(jié)構(gòu)和彌散等的變化不是太明顯,所以超聲波檢測時缺陷波的回波幅度較小,且根據(jù)與底波的距離說明,彈性階段缺陷首先在試件的A處出現(xiàn)。圖4是45鋼在拉伸時的屈服階段波形圖,屈服階段主要產(chǎn)生塑性變形,為裂紋穩(wěn)定擴展,材料內(nèi)部晶格沿45°方向滑動,使材料的位錯增加,位錯的增殖使位錯密度增加,位錯密度的增加將在材料內(nèi)部產(chǎn)生孔洞或裂紋缺陷,使得超聲波檢測時的幅值及缺陷的個數(shù)增加,此時的缺陷在試件的兩端(見圖2中的A處和B處)位置。圖5是45鋼拉伸時的強化階段波形圖,此階段為裂紋的后期擴展,材料抵抗變形的能力又繼續(xù)增加,回波幅值及缺陷的個數(shù)繼續(xù)增加,在試件兩端及中間(見圖2中的A處、B處及C處)均產(chǎn)生了明顯缺陷,且波形比較尖銳,這說明缺陷越大,波高就越高,波形就越明顯。圖6是45鋼拉伸時的頸縮階段波形圖,對應(yīng)于裂紋的失穩(wěn)擴展階段,試件局部范圍橫向尺寸急劇縮小,出現(xiàn)連帶性超聲波波形,并在頸縮位置(見圖2中的C處)產(chǎn)生一個高波峰。從上述可知,超聲波探傷對發(fā)現(xiàn)缺陷、描述缺陷及預(yù)測材料的疲勞損傷能力是可靠的。由于鑄鐵是脆性材料,一拉就斷,試驗過程中不存在屈服、頸縮現(xiàn)象,鑄鐵拉伸曲線如圖7所示,在整個拉伸階段,超聲波無損檢測的波形只有兩種,如圖8所示。圖8a為起始階段鑄鐵拉伸時的超聲波檢測圖,圖8b為后續(xù)階段鑄鐵超聲波檢測圖,此時的超聲波監(jiān)測圖與低碳鋼的強化階段的圖有相似性。2.2應(yīng)力對超聲波聲程的影響根據(jù)超聲波測定的回波幅值的衰減與聲程的變化,檢測材料應(yīng)力的集中程度和材料微觀結(jié)構(gòu)的微小變化,即可以預(yù)測疲勞失效。圖9a為45鋼拉伸過程中聲程的變化,在拉伸過程中超聲波聲程有所下降,這是因為在拉伸過程中,材料內(nèi)的應(yīng)力增大,聲程隨著材料內(nèi)的應(yīng)力的增大而降低,鑄鐵也有相似的規(guī)律,如圖9b所示。圖10為拉伸過程中兩種材料回波幅度的對比,圖10a為45鋼的回波幅度在拉伸過程中的變化情況,在拉伸過程中,超聲波檢測的回波幅值是增加的,說明超聲波的衰減程度減小,這是因為在拉伸過程中材料的晶粒組織均勻性和致密性遭到破壞,使超聲波的衰減降低,導(dǎo)致回波幅值增加,當(dāng)有微裂紋形成時,衰減將顯著增加,鑄鐵也有相似的規(guī)律,如圖10b所示。3拉拉劑超聲波聲程變化對材料長期拉伸過程的影響1)超聲波波形的變化與材料塑性變形的裂紋擴展的狀態(tài),以及拉伸過程的4個階段保持良好的一致性。根據(jù)超聲波檢測到的波形的變化,能夠準(zhǔn)確、清晰、直觀的表征裂紋擴展的不同階段,能夠有效預(yù)測材料使用壽命和力學(xué)行為。2