基于非線性渦流的結(jié)構(gòu)材料塑性損傷評價*

李云飛 ， 陳振茂

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所 綿陽，621900)(2.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院 西安，710049)

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基于非線性渦流的結(jié)構(gòu)材料塑性損傷評價*

李云飛1， 陳振茂2

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所 綿陽，621900)(2.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院 西安，710049)

基于非線性渦流(nonlinear eddy current,簡稱NEC)檢測技術(shù)搭建了實驗系統(tǒng)，對Q195碳素鋼和304奧氏體不銹鋼兩種常用核電結(jié)構(gòu)材料的塑性損傷程度進(jìn)行無損定量評價研究。發(fā)現(xiàn)材料的塑性損傷程度與非線性渦流檢測信號頻譜圖中基頻幅值、三次諧波幅值存在一定線性關(guān)系。不同材料的線性關(guān)系存在差異，Q195碳素鋼的檢測信號隨損傷程度增大而下降，304奧氏體不銹鋼的檢測信號隨損傷程度增大而上升。通過開發(fā)實驗系統(tǒng)、進(jìn)行塑性變形導(dǎo)入和非線性渦流檢測實驗，分析檢測信號與塑性變形程度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)檢測信號中基波幅值及三次諧波幅值與檢測試件的塑性變形程度具有良好相關(guān)性，驗證了本研究方法對兩種典型核電結(jié)構(gòu)材料塑性變形無損定量評價的有效性與可行性。

非線性渦流；結(jié)構(gòu)材料；塑性變形；無損評價

引言

目前，鋼材等結(jié)構(gòu)材料的塑性變形損傷傳統(tǒng)評價方法主要有基于金相分析、硬度壓痕測試和X射線衍射法等。這些方法屬于破壞性測試或者無法在現(xiàn)場使用。國內(nèi)采用非線性渦流檢測對不銹鋼、碳素鋼等的塑性變形損傷的評價研究還較少。岳增武等[1]采用磁性測量方法對奧氏體耐熱鋼高溫和高應(yīng)力條件下長期服役后的材質(zhì)老化和蠕變損傷進(jìn)行了研究。由于長期服役后奧氏體耐熱鋼中相結(jié)構(gòu)的變化使其磁性能發(fā)生了顯著變化，因此通過磁性測量方法可評估奧氏體耐熱鋼長期高溫服役后的老化程度。劉國剛[2]采用磁性測量技術(shù)對奧氏體不銹鋼爐管受熱面的鐵磁相進(jìn)行測量，結(jié)合奧氏體不銹鋼爐管內(nèi)壁氧化皮厚度測量技術(shù)評估了爐管非破壞狀態(tài)的完整壽命。文獻(xiàn)[3]基于非線性渦流信號，研究發(fā)現(xiàn)非線性渦流信號頻譜分析后的三次諧波分量幅值隨鉻鉬鋼焊后熱處理溫度會發(fā)生顯著變化。文獻(xiàn)[4-5]采用非線性渦流法研究石墨鑄鐵中白口含量以及鑄鐵內(nèi)石墨形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)磁滯回線所圍面積或非線性渦流信號與鑄鐵的白口含量具有良好的相關(guān)性。文獻(xiàn)[6]基于非線性渦流法對奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性進(jìn)行了評價研究發(fā)現(xiàn)檢測信號中的三階高次諧波比與試件的公稱應(yīng)變是相關(guān)的。文獻(xiàn)[7]通過不同不銹鋼管的磁化曲線對機(jī)械疲勞的敏感性因疲勞產(chǎn)生相變的不銹鋼進(jìn)行了無損評價研究。可見，研究非線性渦流檢測對塑性變形、殘余應(yīng)力的評估作用具有較高的理論意義和實際意義。

1 非線性渦流檢測技術(shù)與實驗系統(tǒng)

1.1 非線性渦流檢測方法概述

常規(guī)渦流問題只與磁化曲線中的線性部分相關(guān)，即認(rèn)為材料的相對磁導(dǎo)率為一常數(shù)。如果外加的磁場激勵信號較大，受鐵磁材料的磁導(dǎo)率影響，其B～H磁化曲線會進(jìn)入非線性的部分，并在導(dǎo)體材料中感生出非線性渦流。這種情況下輸入單個頻率的交流激勵信號時，檢出信號中會產(chǎn)生多個頻率的諧波響應(yīng)，如圖1所示，可以探究響應(yīng)中的諧波信號頻譜分析后的幅值以及B～H非線性關(guān)系曲線與材料的塑性變形損傷存的關(guān)聯(lián)性。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，導(dǎo)體試件內(nèi)部感生的電渦流信號與試件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等電磁特性以及試件的幾何尺寸、試件內(nèi)部的缺陷情況密切相關(guān)。電導(dǎo)率的影響因素主要包括溫度、摻雜程度和各向異性，在本實驗條件下認(rèn)為室溫是一致的，金屬材料由于其晶粒在空間方位上的無規(guī)則排列，整體表現(xiàn)出各向同性，所以在實驗中可排除因試件電導(dǎo)率變化對檢測的影響。同時，試件的設(shè)計寬度大于檢測線圈三倍直徑，拉伸后試件尺寸變化的邊界效應(yīng)對非線性渦流檢出信號的影響可忽略不計。因此，可認(rèn)為不同塑性變形的試件非線性渦流檢測信號主要與因塑性變形而產(chǎn)生變化的磁特性存在關(guān)聯(lián)性。

圖1 非線性渦流信號頻譜圖Fig.1 Spectrum of NEC detection signal

1.2 非線性渦流實驗系統(tǒng)

根據(jù)非線性渦流法自行搭建實驗系統(tǒng)，主要包括信號產(chǎn)生、信號檢測和信號采集分析三部分，主要儀器設(shè)備有WF1944B信號發(fā)生器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)和非線性渦流探頭等。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中信號采集分析系統(tǒng)基于LabVIEW自行開發(fā)，并自行設(shè)計了非線性渦流檢測探頭。在實驗系統(tǒng)中由WF1944B信號發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦交流信號，經(jīng)功率放大器放大后，一路信號輸入非線性渦流探頭的激勵線圈對試件進(jìn)行電磁感應(yīng)，一路通過采集卡輸入到PC機(jī)中基于LabVIEW建立的非線性渦流檢測系統(tǒng)作為參考信號。非線性渦流探頭的檢測線圈受試件中感生渦流的影響將采集到的檢測信號通過采集卡輸入到LabVIEW檢測系統(tǒng)。在非線性渦流檢測系統(tǒng)中對檢測信號進(jìn)行頻譜分析，在得到的頻譜圖中通過基波幅值和諧波幅值的變化進(jìn)行材料塑性變形損傷的無損評價研究。

圖2 非線性渦流實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Experimental system of NEC

筆者自行設(shè)計的非線性渦流檢測探頭結(jié)構(gòu)為兩組餅狀線圈中插入一錳鋅鐵氧體材料的磁芯，上部線圈為激勵線圈，下部為檢出線圈。使用磁芯可起到增大線圈的電感和磁導(dǎo)率的作用。探頭結(jié)構(gòu)和實物圖如圖3所示。

圖3 非線性渦流探頭結(jié)構(gòu)與實物圖Fig.3 Schematic and physical diagram of NEC probe

在實驗中通過夾具將非線性渦流檢測探頭水平置于不同塑性變形損傷試件的表面，將檢出線圈的采集信號經(jīng)過采集卡輸入到LabVIEW的信號采集分析系統(tǒng)中進(jìn)行頻譜分析，主要記錄檢出信號頻譜圖中的基波幅值和三倍、五倍頻率的諧波幅值并對其進(jìn)行分析，得到信號隨塑性變形程度的變化規(guī)律。如果實驗中采用的激勵頻率為5 kHz，那么功率譜中5 kHz對應(yīng)的幅值為基波幅值，15 kHz對應(yīng)的幅值為三次諧波幅值，其他的高次諧波依次類推。信號采集分析的系統(tǒng)及參數(shù)如圖4所示。

圖4 信號采集分析系統(tǒng)與采集參數(shù)Fig.4 Acquisition and analysis system & parameters of signal

2 核電結(jié)構(gòu)材料檢測試件制備

Q195碳素鋼和304奧氏體不銹鋼是核電站中的主要結(jié)構(gòu)材料，因其良好的力學(xué)性能與耐腐蝕性能常被用作反應(yīng)堆循環(huán)管道和容器壁以及發(fā)電設(shè)備中的主要部件。筆者選取這兩種材料，采用MTS拉伸試驗機(jī)分別制作了兩種材料不同塑性損傷程度的試件。Q195和304奧氏體不銹鋼試件塑性變形損傷程度分別如表1和表2所示。拉伸至不同塑性損傷程度的兩組不同材料檢測試件如圖5所示。

表1 Q195碳素鋼試件塑性損傷程度

Tab.1 Plastic deformation of Q195 carbon steel specimens

試件編號2?12?22?42?62?9塑性變形/%124．55．59

表2 304奧氏體不銹鋼試件塑性損傷程度

Tab.2 Plastic deformation of 304 stainless steel specimens

試件編號123456塑性變形/%34．45．78．512．715．5

圖5 不同塑性損傷程度的拉伸檢測試件Fig.5 Stretched specimens of different deformation

3 Q195碳素鋼塑性損傷評價

將5個不同塑性損傷的碳素鋼試件分別固定在實驗系統(tǒng)的檢測探頭下，采用的激勵頻率為50 kHz，每個試件重復(fù)檢測三次以保證重復(fù)性。對檢出信號進(jìn)行頻譜分析后提取基頻幅值與三次諧波幅值，得到幅值與塑性損傷程度的變化規(guī)律結(jié)果如圖6所示。根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著試件塑性損傷程度的增大，其非線性渦流檢測信號的基頻幅值和三次諧波幅值都出現(xiàn)下降的趨勢，塑性變形與幅值之間存在一定的線性關(guān)系。

圖6 Q195碳素鋼試件檢測結(jié)果Fig.6 Testing results of Q195 steel specimens

考慮到激勵頻率是否存在影響，使用非線性渦流檢測探頭分別在不同激勵頻率為10kHz，20kHz下對同一組不同塑性變形碳素鋼試件進(jìn)行檢測，每個試件采集3次信號，對檢出信號進(jìn)行頻譜分析后提取頻譜圖中的基波幅值數(shù)據(jù)，變化規(guī)律如圖7所示。可見，在不同的激勵頻率下，諧波幅值數(shù)據(jù)存在一定差異，但檢測結(jié)果的趨勢基本一致,可排除不同激勵頻率的選取對檢測結(jié)果的影響。

圖7 不同頻率下的基波幅值檢測結(jié)果Fig.7 Fundamental component′s amplitude testing results of different frequency

4 奧氏體不銹鋼塑性損傷評價

將6個不同塑性損傷的碳素鋼試件分別固定于實驗系統(tǒng)的檢測探頭下，激勵頻率為5kHz，每個試件重復(fù)檢測三次以保證實驗重復(fù)性。對檢出信號進(jìn)行頻譜分析后提取出基頻幅值與三次諧波幅值，得到幅值與塑性損傷程度的變化規(guī)律結(jié)果如圖8所示。根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著奧氏體不銹鋼試件塑性損傷程度的增大，其檢測信號的基頻幅值和三次諧波幅值都出現(xiàn)上升的趨勢，塑性變形與檢測信號幅值之間存在一定的線性關(guān)系。

圖8 304奧氏體不銹鋼試件檢測結(jié)果Fig.8 Testing results of 304 stainless steel specimens

通過比較，Q195碳素鋼和304奧氏體不銹鋼兩種結(jié)構(gòu)材料檢測結(jié)果的變化趨勢不同。不銹鋼的上升趨勢主要由于304奧氏體不銹鋼發(fā)生塑性變形后材料內(nèi)部的奧氏體相變?yōu)榇判择R氏體的數(shù)量增加[8]。碳素鋼的下降趨勢主要由于塑性變形后材料內(nèi)部的磁疇大小與方向產(chǎn)生了不可逆的轉(zhuǎn)變[9]。

5 結(jié)束語

基于非線性渦流檢測技術(shù)自行搭建了實驗系統(tǒng)，對Q195碳素鋼和304奧氏體不銹鋼兩種常用核電結(jié)構(gòu)材料的塑性損傷程度進(jìn)行了無損定量評價研究。研究發(fā)現(xiàn)材料的塑性損傷程度與非線性渦流檢測信號頻譜圖中基頻幅值、三次諧波幅值存在一定線性關(guān)系。不同材料的線性關(guān)系存在差異，Q195碳素鋼的檢測信號隨損傷程度增大而下降；304奧氏體不銹鋼的檢測信號隨損傷程度增大而上升。基于所得到的線性關(guān)系可對相應(yīng)結(jié)構(gòu)材料部件的塑性損傷程度進(jìn)行定量的無損評估，具有一定的發(fā)展前景。

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*國家自然科學(xué)基金資助項目(50977070)；中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金資助項目(2014B04021)

2013-04-14；

2013-05-24

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.01.018

TG115.28; TH823

李云飛，男，1986年8月生，助理工程師。主要研究方向為結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析。曾發(fā)表《基于水浸超聲的ITER超導(dǎo)線纜鎧甲套管無損檢測方法研究》(《無損檢測》2011年第33卷第9期)等論文。 E-mail: yunfei1211@163.com