黃太回,張東利,陳振茂
(西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院強(qiáng)度與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710049)
應(yīng)力腐蝕裂紋是工件在腐蝕環(huán)境中,在靜態(tài)拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋,一般用肉眼很難發(fā)現(xiàn).應(yīng)力腐蝕裂紋導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)功能失效對(duì)大型機(jī)械系統(tǒng)如核電站造成了非常嚴(yán)重的影響,需要合適的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和定量.
目前國(guó)內(nèi)外在應(yīng)力腐蝕裂紋的研究中,一般認(rèn)為疲勞裂紋區(qū)域?qū)щ娐蕿榱?應(yīng)力腐蝕裂紋存在著弱于基體材料的部分導(dǎo)電性[1],在電導(dǎo)率精確定量方面尚無(wú)更成熟的結(jié)論.因此對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行渦流檢測(cè)[2-3]定量重構(gòu)時(shí),由于裂紋區(qū)域電導(dǎo)率特性尚不明確,影響了裂紋的定量精度.本文提出了采用實(shí)測(cè)渦流檢測(cè)信號(hào)與模擬渦流信號(hào)比對(duì)的方法確定奧氏體不銹鋼工件中應(yīng)力腐蝕裂紋區(qū)域的電導(dǎo)率的方法,并通過模型實(shí)驗(yàn)對(duì)其有效性進(jìn)行了研究.
當(dāng)某一選定的渦流檢測(cè)探頭的激勵(lì)頻率和電壓幅值確定時(shí),影響奧氏體不銹鋼中的渦流信號(hào)的參數(shù)主要有裂紋的寬度、長(zhǎng)度、深度和電導(dǎo)率值[4-5].由于渦流存在趨膚效應(yīng),當(dāng)采用高頻率渦流(2.5 M Hz~ 3 M Hz)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),信號(hào)將集中于三倍趨膚深度(約1mm)范圍內(nèi).當(dāng)裂紋的深度大于 1mm時(shí),本文將整個(gè)應(yīng)力腐蝕裂紋在深度方向上分為若干等厚層(每層深度均為1mm),各層具有不同的均勻電導(dǎo)率值,如圖1所示,因此可以將各層中的裂紋視為貫穿于該層(即深度已知為 1mm)的裂紋,并運(yùn)用逐層打磨逐層檢測(cè)的方法考察裂紋各層的電導(dǎo)率值,最終確定整個(gè)應(yīng)力腐蝕裂紋在深度方向上的電導(dǎo)率分布情況.
圖1 裂紋模型Fig.1 Themodel of SCC
本文采用實(shí)測(cè)渦流檢測(cè)信號(hào)與模擬渦流信號(hào)對(duì)比的方法確定裂紋的電導(dǎo)率.當(dāng)裂紋的長(zhǎng)度、寬度和深度已知時(shí),影響試件中渦流信號(hào)的參數(shù)只有裂紋的電導(dǎo)率值,因此將實(shí)測(cè)信號(hào)與不同裂紋電導(dǎo)率值下的模擬信號(hào)進(jìn)行比對(duì),即可確定實(shí)際裂紋的電導(dǎo)率值[6].
由于實(shí)測(cè)信號(hào)與模擬信號(hào)的相位和幅值存在差異[7],所以要對(duì)二者進(jìn)行標(biāo)定.標(biāo)定及檢測(cè)過程如圖2所示,首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)人工裂紋求取實(shí)測(cè)信號(hào)與模擬信號(hào)幅值最大處的相位差和幅值比,用此相位差和幅值比調(diào)整實(shí)測(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋渦流檢測(cè)信號(hào),并將其與基于假設(shè)導(dǎo)電率計(jì)算所得應(yīng)力腐蝕裂紋信號(hào)反復(fù)比對(duì)從而獲取其電導(dǎo)率值.檢測(cè)中擬采用有限元邊界元 (FEMBEM)混合法程序進(jìn)行數(shù)值模擬.
實(shí)驗(yàn)中使用兩套渦流檢測(cè)設(shè)備(分別命名為設(shè)備 1和設(shè)備 2)進(jìn)行檢測(cè),在實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算過程所使用的基體材料均為奧氏體不銹鋼,其電導(dǎo)率值計(jì)為 1.4×106S/m.用于標(biāo)定的 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裂紋長(zhǎng)度均為10mm,寬度為 0.2mm,深度分別為 1mm和 3 mm(位于尺寸為 200mm×200mm×15mm的工件上);待檢測(cè)的應(yīng)力腐蝕裂紋位于尺寸為 200mm×100mm×10mm的奧氏體不銹鋼工件上,通過光學(xué)顯微鏡觀察其長(zhǎng)度約為 13mm,寬度約為 0.6mm,通過超聲波飛行時(shí)差衍射法(TOFD)檢測(cè)其深度約為3mm.實(shí)驗(yàn)及模擬計(jì)算所用探頭為餅狀高頻探頭,激勵(lì)頻率為 2.5 M Hz和 3 MHz,探頭提離為0.5 mm,圖3為一次信號(hào)標(biāo)定過程,圖中各條線為信號(hào)的李薩育圖.圖3(a)為標(biāo)準(zhǔn)裂紋信號(hào)的標(biāo)定過程,即獲取標(biāo)準(zhǔn)裂紋實(shí)測(cè)信號(hào)與模擬信號(hào)間的相位差和幅值比;圖3(b)為按圖3(a)的調(diào)整比例變換后的 SCC信號(hào),即用從標(biāo)準(zhǔn)裂紋試件信號(hào)獲取的相位差和幅值比調(diào)整 SCC實(shí)測(cè)信號(hào).
圖3 實(shí)驗(yàn)信號(hào)的標(biāo)定Fig.3 The calib ration of signal from test
激勵(lì)頻率為 2.5M Hz,3 MHz時(shí),渦流信號(hào)的趨膚深度約為 0.3 mm,本文對(duì)多個(gè)電導(dǎo)率值和裂紋深度值下的渦流信號(hào)峰值進(jìn)行了計(jì)算并形成了如圖4所示的基準(zhǔn)曲線.計(jì)算中所用電導(dǎo)率值為基體材料電導(dǎo)率的 3%~16%,裂紋深度值為 0.3mm,0.6mm,0.9 mm,1mm,1.1mm,1.2 mm,1.5 mm.
圖4 不同條參數(shù)下的基準(zhǔn)曲線和檢測(cè)信號(hào)Fig.4 The benchmark cu rveand test signal on different parameters
由圖4可知,激勵(lì)頻率為 2.5 MHz,3 MHz時(shí),當(dāng)裂紋深度小于 1 mm時(shí),裂紋信號(hào)峰值受深度影響較大;當(dāng)裂紋深度大于 1mm時(shí),裂紋信號(hào)峰值受深度影響很小,且約為 1mm深度時(shí)的值.通過將標(biāo)定后的 SCC信號(hào)與基準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比即可得到 SCC的電導(dǎo)率值.圖4同時(shí)給出了工件第一層進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)圖.圖4(a)為設(shè)備 2在 2.5 MHz頻率下,用 1 mm深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋作標(biāo)定獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過對(duì)比可得 SCC區(qū)域的電導(dǎo)率為基體材料(即奧氏體 304不銹鋼)電導(dǎo)率的 4.5%;圖4(b)為設(shè)備 1在3M Hz頻率下,用 3mm深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋作標(biāo)定后獲得的實(shí)驗(yàn)信號(hào),此時(shí)獲得的 SCC區(qū)域電導(dǎo)率為基體材料電導(dǎo)率的 8%.
對(duì)工件第一層進(jìn)行了 4次重復(fù)實(shí)驗(yàn),結(jié)果對(duì)比如表1~表4所示.表中的數(shù)據(jù)為在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)參數(shù)下獲得的 SCC信號(hào)經(jīng)標(biāo)定后對(duì)比基準(zhǔn)曲線得到的裂紋電導(dǎo)率.由對(duì)比結(jié)果可以看到:
1)實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好,各次實(shí)驗(yàn)相同參數(shù)下獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近.
2)使用不同設(shè)備、不同激勵(lì)頻率,用相同深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋進(jìn)行標(biāo)定檢測(cè),SCC的電導(dǎo)率值都較接近,即驗(yàn)證了該標(biāo)定方法的正確性.
3)用不同深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋進(jìn)行標(biāo)定檢測(cè),獲得的結(jié)果存在相對(duì)固定的差異,且各個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定在4%~8%之間.
表1 第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The result of the first experiment
表2 第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The result of the second experime
表3 第三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The result of the third experiment
表4 第四次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The result of the forth experiment
本文提出了將工件上的應(yīng)力腐蝕裂紋考慮成在深度方向上分為若干等深厚層,各層具有不同的均勻電導(dǎo)率值,用高頻渦流探頭檢測(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋區(qū)域,通過實(shí)驗(yàn)信號(hào)與模擬計(jì)算信號(hào)對(duì)比的方法確定裂紋電導(dǎo)率值的方法.在對(duì)第一層進(jìn)行檢測(cè)后,驗(yàn)證了該方法的可行性,初步確定該工件中的應(yīng)力腐蝕裂紋在 1mm深度內(nèi)的電導(dǎo)率值約為基體材料電導(dǎo)率的 4%~8%.
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