【摘要】：在航空航天、石油化工、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高溫設(shè)備／構(gòu)件會因長期服役或制造工藝而產(chǎn)生組織損傷及缺陷。損傷及缺陷隨著服役時間不斷發(fā)展將最終導(dǎo)致構(gòu)件的失效,嚴重時甚至引發(fā)災(zāi)難性的事故。在過去幾十年,為了保障構(gòu)件的安全運行,基于電磁和超聲的無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。但是由于缺乏檢測信號與損傷／缺陷的準確關(guān)聯(lián)及評定方法,這些技術(shù)的可靠性一直頗受爭議。本研究主要針對構(gòu)件內(nèi)材料組織損傷,分析了材料微觀組織演化與磁學(xué)性能的變化規(guī)律,建立了相關(guān)的預(yù)測模型,并通過試驗驗證了該模型的有效性；其次為了精確檢出結(jié)構(gòu)中的缺陷,研究了構(gòu)件內(nèi)部缺陷與超聲波(Rayleigh與Lamb波)之間的相互作用,基于模式分解法和有限元模擬,結(jié)合試驗定量分析了超聲波在裂紋處發(fā)生的散射現(xiàn)象。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：(1)對高溫構(gòu)件常用材料的微觀組織演化對磁疇結(jié)構(gòu)的影響進行了觀測和分析。通過試驗測得10CrMo910、P91及23CrMoNiWV88三種材料的居里點溫度,使用振動樣品磁強計(VSM)研究了其在服役溫度下磁學(xué)性能的變化。進而分析探討了磁滯回線Jiles-Atherton (J-A)模型,并且使用基于量子行為的粒子群算法(QB-PSO)擬合獲得了模型中的五個參數(shù)。結(jié)果表明材料晶粒尺寸的變化控制磁疇尺寸的變化,晶界的存在和二次相都會使磁疇的分布發(fā)生變化,同時位錯密度的變化也會對磁疇結(jié)構(gòu)的尺寸和分布產(chǎn)生影響。三種材料在其服役溫度下都保留了很好的磁滯特性,所以基于磁滯的無損檢測方法具有開發(fā)成為高溫構(gòu)件蠕變損傷實時在線監(jiān)測技術(shù)的潛力。(2)針對早期蠕變過程中材料微觀組織的演化,考慮其對疇壁運動的釘扎作用,對J-A模型進行了修正。使用VSM測試了短時蠕變試樣的磁學(xué)性能,同時分別使用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)觀測了試樣經(jīng)過蠕變后微觀組織的演化,定量計算了不同蠕變試樣的了晶粒尺度、位錯密度和析出物的數(shù)量。發(fā)現(xiàn)使用QB-PSO算法擬合蠕變試樣的磁滯回線所得到的J-A模型參數(shù)與使用定量金相法計算相應(yīng)蠕變試樣晶粒尺寸、位錯密度及析出物的變化代入修正模型所得的參數(shù)保持了很好的一致性。若不修正模型直接計算得到的結(jié)果與試驗值相差50倍以上。此外對含早期蠕變損傷的試樣進行了次磁滯回線檢測,計算出了相應(yīng)的次磁滯回線系數(shù)。結(jié)果表明,次磁滯回線系數(shù)可反映材料內(nèi)部潛在缺陷,且隨著蠕變壽命系數(shù)的增大而持續(xù)減小。(3)使用精度更高的超導(dǎo)量子干涉器件振動樣品磁強計(SQUID-VSM)測試了緊湊拉伸(CT)蠕變試樣上不同區(qū)域的磁滯特性。使用有限元模擬和顯微金相觀測方法,分析了蠕變損傷與磁學(xué)信號之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蠕變空洞對材料矯頑力和剩磁的影響十分嚴重。研究了不同蠕變機制下蠕變空洞長大對材料疇壁運動的影響,進而修正了J-A模型,并基于該模型分析了不同應(yīng)力狀態(tài)、不同蠕變機制下材料的磁滯特性,并與服役材料檢測試驗結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明,應(yīng)力多軸度越大,對磁滯特性的削弱能力就會越強；修正的J-A模型可以準確地預(yù)測擴散和冪率蠕變控制機制下材料磁滯特性的變化規(guī)律。(4)使用模式分解法分別研究了不同頻率下超聲Rayleigh及Lamb波和裂紋之間的相互作用。在裂紋的前端和尾端分別根據(jù)界面上連續(xù)性條件建立了入射、反射和透射波各模式的位移和面力場的方程,并使用最小二乘法獲得了基于能量的散射系數(shù)。使用有限元分別模擬了在鋁板中傳播的Rayleigh波和Lamb波與裂紋之間的相互作用,采用時間窗口和二維傅里葉變換提取了不同模式的振幅從而計算了散射系數(shù),并且與模式分解法的計算結(jié)果進行對比。同時采用實驗室內(nèi)的超聲檢測系統(tǒng)對同樣尺寸和材料的含裂紋鋁板進行了檢測,將傳感器接收到的信號與有限元模擬的信號進行了對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),有限元模擬計算的散射系數(shù)與模式分解法計算的結(jié)果取得了非常好的一致性。試驗測得的信號與有限元計算的信號十分吻合,再次證明了模式分解法計算的有效性。結(jié)合裂紋前端和尾端各個模式的散射系數(shù),就可定量地分析缺陷對構(gòu)件中超聲信號的影響。同時發(fā)現(xiàn)在特定頻率區(qū)間(300-500kHz),可通過檢測高階反對稱Lamb波直接辨識構(gòu)件內(nèi)的缺陷；上述這些算法都可被集成在基于超聲的缺陷檢測技術(shù)中,從而實現(xiàn)構(gòu)件缺陷的高效、可靠檢測。
【圖文】：

束空洞長大機制、動態(tài)亞晶粗化機制、及位錯增加機制ｆ７，邋Ｗ。熱誘導(dǎo)損傷下主要有材料逡逑顆粒粗化及固溶元素的損耗Ｒ邋Ｗ。環(huán)境誘導(dǎo)損傷下則有內(nèi)部氧化及表面腐蝕開裂機制逡逑ｔＷ。圖１．１展示了不同尺度的蠕變損傷可Ｗ看出二次相析出和位錯的尺寸基本在逡逑１０至ｌＯＯｍｎ，而長大的蠕變空洞尺寸一般在１至１０＾ｍｌ之內(nèi)，當蠕變空洞聯(lián)結(jié)后形成微逡逑

同時使用欽合金材料分別進行了蠕變試驗，通過材料微觀組織定量金相法計算出了逡逑材料蠕變后位錯密度及析出物的體積分數(shù)。進而代入非線性參量計算公式得到了其實驗逡逑值，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)理論值與實驗值有很好的一致性，，如圖１．２所示。之后還用這種方法對逡逑正在進行蠕變試驗的材料進行了蠕變壽命評估。與最終的試驗時間進行對比，發(fā)現(xiàn)預(yù)測逡逑的誤差都在１５％Ｗ內(nèi)。不過此項研究中的蠕變試驗時間普遍較短，與現(xiàn)場服役構(gòu)件的真逡逑實蠕變情況有所不同，所Ｗ還需更長時間的蠕變試驗進而驗證結(jié)果的普遍性。另外，非逡逑線性參量這種隨蠕變時間非單調(diào)的變他規(guī)律也可能會為今后的操作人員造成不小的麻逡逑煩，需要有經(jīng)驗的操作人員根據(jù)情況準確地判斷材料的服役情況。逡逑邐ＩＩ邐，邐Ｉ邐］邐ｇ邐？邋Ａ邋ＨｘｐｅｎｍRG化Ｉ邋ｄａｔａ逡逑＼邋ＲｌｔｅＣ－ＳＮＡＰ邋／—Ａ邋ｐｆ邐受！－２邋￣邋孩邋Ｔｈｅｏｒｅ化’ａｌ邋ｄａｌａ邋（汾�。椋溴澹欤椋睿邋澹颍澹穑颍澹螅澹钋渝澹妫椋簦欤椋睿纾悖酰颍觯澹╁义匣悖酰椋铮螅悖铮穑邋澹族澹哌姡担埃埃斑姡澹走娺姡澹蹂澹哄义稀撸蔬姡桑�
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG115.28

【參考文獻】

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本文編號：2554255