CN107655972A - 一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法，通过提取包含金属材料蠕变状态信息的起始信号至第一次底面波之间的信号波段，并剔除外界环境及系统噪声，进行频谱分析后得到信号频域幅值，从而建立幅值与蠕变寿命分数之间的关联关系。本发明将高温蠕变所形成的微损伤看作信号的一种噪声，用超声检测提取出蠕变损伤信号，从数字信号处理后得到信号特征的角度评价金属材料高温蠕变状态，简单实用，可用于现场实际检测。

Description

一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法
技术领域
本发明属于无损检测领域，涉及一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法。
背景技术
金属材料在高温高压的环境下长时间运行，总是伴随着蠕变损伤，造成重大的安全隐患。如何准确评价金属材料的蠕变状态，估算材料的蠕变剩余寿命受到越来越多的关注。
超声检测法具有无损，可在线检测等优点，在蠕变评价方面得到了广泛研究。目前常用的超声检测方法，如波速法，超声衰减法对蠕变中材料微观结构变化反应不是十分敏感，而新兴的非线性超声检测方法对蠕变效果较好，但对仪器硬件要求较高，设备昂贵，且没有形成成熟的检测理论和检测方法应用到实际的现场检测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法，该方法包括以下步骤：
1)制备不同高温蠕变损伤程度的标准金属试块：将同一批金属试块放入高温蠕变试样机上进行高温拉伸，设定相同的蠕变温度、相同的拉伸拉力，得到不同的蠕变时间下的蠕变损伤试块，此条件下试块拉伸断裂时间为最终蠕变寿命；
2)搭建高温蠕变超声检测系统：高温蠕变超声检测系统包括激发探头、接收探头、信号发生器和示波器；采用透射法，接收探头为宽带探头，激发探头为窄带探头，激发探头的中心频率根据金属试块厚度选择，金属试块厚度小于40mm时，探头的中心频率选用15MHz～20MHz；金属试块厚度大于40mm时，探头的中心频率选用10MHz～15MHz；示波器的采样频率为2.5Gs/s之上，信号发生器最高激励频率为50MHz；
3)利用高温蠕变超声检测系统检测标准金属试块，在示波器中得到接收信号的时域波形；未检测标准金属试块时，保持仪器设置参数与检测标准金属试块时仪器设置参数相同，此时示波器的数据为系统误差和外界环境噪声；
4)提取信号开始到第一次底面波之间的信号，该信号包含蠕变信息、系统噪声及外界环境噪声，将提取的检测标准金属试块信号与提取的未检测标准金属试块信号做差值，对差值后的信号数据进行傅里叶变换，得到信号的频域波形，对信号进行频谱分析，得到信号的幅值大小；
5)对不同蠕变时间的标准金属试块进行检测，得到频域信号下幅值与未损伤试块即蠕变时间为0h幅值之比，绘制幅值之比与蠕变损伤寿命分数的关系曲线；
6)获取同一批次待测金属材料的超声检测幅值，带入步骤5)得到的幅值之比与蠕变损伤寿命分数的关系曲线，得到待测金属材料的高温蠕变剩余寿命。
进一步地，探头与试块需用夹具固定，且需用耦合剂进行耦合，试块表面需用1000目以上砂纸打磨，尽可能使其表面光滑
本发明的有益效果是：本发明通过提取包含金属材料蠕变状态信息的起始信号至第一次底面波之间的信号波段，并剔除外界环境及系统噪声，进行频谱分析后得到信号频域幅值，从而建立幅值与蠕变寿命分数之间的关联关系。本发明将高温蠕变所形成的微损伤看作信号的一种噪声，用超声检测提取出蠕变损伤信号，从数字信号处理后得到信号特征的角度评价金属材料高温蠕变状态，简单实用，可用于现场实际检测。
附图说明
图1超声检测蠕变试块时域信号；
图2提取的检测蠕变试块时频谱分析段时域信号；
图3提取的未检测蠕变试块时频谱分析段时域信号；
图4提取的检测蠕变试块与未检测蠕变试块时频谱分析段差值时域信号；
图5提取的差值频域信号；
图6蠕变损伤试样与未损伤幅值之比与蠕变寿命百分数关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例提供的一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法，包括以下步骤：
1)制备不同高温蠕变损伤程度的金属试块：将同一批金属试样放入高温蠕变试样机上进行高温拉伸，设定相同的蠕变温度、相同的拉伸拉力，不同的蠕变时间等参数，拉伸断裂时间为最终蠕变寿命；如P91钢，拉伸力为50MPa，蠕变温度为750℃，蠕变有效尺寸(长厚宽)250mm×54mm×34.75mm，此条件下蠕变断裂时间为350h，取占蠕变寿命分数的0％，20％，40％，60％，80％，100％的蠕变试块进行检测，即蠕变时间为0h，75h，140h，210h，280h，350h的蠕变试块进行检测。
2)搭建高温蠕变超声检测系统：采用透射法，探头为一发一收，接收探头需要足够的频带宽度，激发探头频带尽可能的窄，激发探头的中心频率根据试样厚度选择，金属试块厚度小于40mm时，探头的中心频率选用15MHz～20MHz；金属试块厚度大于40mm时，探头的中心频率选用10MHz～15MHz；本实施例中，探头中心频率选用10MHz，示波器的采样频率为2.5Gs/s，信号发生器激励频率为10MHz。
3)利用检测系统检测高温蠕变试块，在示波器中得到接收信号的时域波形，如图1所示；未检测高温蠕变试块时，保持仪器设置参数与检测蠕变时仪器设置参数相同，此时示波器的数据可认为系统误差和外界环境噪声如图3所示。
4)提取信号开始到第一次底面波之间的信号，如图2所示，将提取的检测蠕变试块信号与提取的未检测蠕变试块信号做差值，如图4所示，对差值后信号数据进行傅里叶变换，得到信号的频域波形，对信号进行频谱分析，得到信号的幅值大小，如图5所示。
5)对蠕变时间为0h，75h，140h，210h，280h，350h的蠕变试块进行检测，得到提取频域信号下幅值与未损伤试样即蠕变时间为0h幅值之比，绘制幅值之比与蠕变损伤寿命分数的关系曲线，如图6所示。
6)获取同一批次待测金属材料的超声检测幅值，带入步骤5)得到的幅值之比与蠕变损伤寿命分数的关系曲线，得到待测金属材料的高温蠕变剩余寿命。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合或简化，均应视为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)制备不同高温蠕变损伤程度的标准金属试块：将同一批金属试块放入高温蠕变试样机上进行高温拉伸，设定相同的蠕变温度、相同的拉伸拉力，得到不同的蠕变时间下的蠕变损伤试块，此条件下试块拉伸断裂时间为最终蠕变寿命；
2)搭建高温蠕变超声检测系统：高温蠕变超声检测系统包括激发探头、接收探头、信号发生器和示波器；采用透射法，接收探头为宽带探头，激发探头为窄带探头，激发探头的中心频率根据金属试块厚度选择，金属试块厚度小于40mm时，探头的中心频率选用15MHz～20MHz；金属试块厚度大于40mm时，探头的中心频率选用10MHz～15MHz；示波器的采样频率为2.5Gs/s之上，信号发生器最高激励频率为50MHz；
3)利用高温蠕变超声检测系统检测标准金属试块，在示波器中得到接收信号的时域波形；未检测标准金属试块时，保持仪器设置参数与检测标准金属试块时仪器设置参数相同，此时示波器的数据为系统误差和外界环境噪声；
4)提取信号开始到第一次底面波之间的信号，该信号包含蠕变信息、系统噪声及外界环境噪声，将提取的检测标准金属试块信号与提取的未检测标准金属试块信号做差值，对差值后的信号数据进行傅里叶变换，得到信号的频域波形，对信号进行频谱分析，得到信号的幅值大小；
5)对不同蠕变时间的标准金属试块进行检测，得到频域信号下幅值与未损伤试块即蠕变时间为0h幅值之比，绘制幅值之比与蠕变损伤寿命分数的关系曲线；
6)获取同一批次待测金属材料的超声检测幅值，带入步骤5)得到的幅值之比与蠕变损伤寿命分数的关系曲线，得到待测金属材料的高温蠕变剩余寿命。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料高温蠕变剩余寿命的超声评价方法，其特征在于，探头与试块需用夹具固定，且需用耦合剂进行耦合，试块表面需用1000目以上砂纸打磨，尽可能使其表面光滑。
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