李云飛 ， 陳振茂

(1.中國(guó)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(píng)價(jià)*

李云飛1， 陳振茂2

(1.中國(guó)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(jiǎn)稱NEC)檢測(cè)技術(shù)搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)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(píng)價(jià)研究。發(fā)現(xiàn)材料的塑性損傷程度與非線性渦流檢測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)隨損傷程度增大而下降，304奧氏體不銹鋼的檢測(cè)信號(hào)隨損傷程度增大而上升。通過開發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、進(jìn)行塑性變形導(dǎo)入和非線性渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析檢測(cè)信號(hào)與塑性變形程度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)中基波幅值及三次諧波幅值與檢測(cè)試件的塑性變形程度具有良好相關(guān)性，驗(yàn)證了本研究方法對(duì)兩種典型核電結(jié)構(gòu)材料塑性變形無損定量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)

引言

目前，鋼材等結(jié)構(gòu)材料的塑性變形損傷傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法主要有基于金相分析、硬度壓痕測(cè)試和X射線衍射法等。這些方法屬于破壞性測(cè)試或者無法在現(xiàn)場(chǎng)使用。國(guó)內(nèi)采用非線性渦流檢測(cè)對(duì)不銹鋼、碳素鋼等的塑性變形損傷的評(píng)價(jià)研究還較少。岳增武等[1]采用磁性測(cè)量方法對(duì)奧氏體耐熱鋼高溫和高應(yīng)力條件下長(zhǎng)期服役后的材質(zhì)老化和蠕變損傷進(jìn)行了研究。由于長(zhǎng)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(cè)量方法可評(píng)估奧氏體耐熱鋼長(zhǎng)期高溫服役后的老化程度。劉國(guó)剛[2]采用磁性測(cè)量技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼爐管受熱面的鐵磁相進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合奧氏體不銹鋼爐管內(nèi)壁氧化皮厚度測(cè)量技術(shù)評(píng)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(hào)，研究發(fā)現(xiàn)非線性渦流信號(hào)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(huì)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(hào)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(duì)奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)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(duì)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(píng)價(jià)研究?？梢?，研究非線性渦流檢測(cè)對(duì)塑性變形、殘余應(yīng)力的評(píng)估作用具有較高的理論意義和實(shí)際意義。

1 非線性渦流檢測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 非線性渦流檢測(cè)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(duì)磁導(dǎo)率為一常數(shù)。如果外加的磁場(chǎng)激勵(lì)信號(hào)較大，受鐵磁材料的磁導(dǎo)率影響，其B～H磁化曲線會(huì)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(gè)頻率的交流激勵(lì)信號(hào)時(shí)，檢出信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生多個(gè)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(hào)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中可排除因試件電導(dǎo)率變化對(duì)檢測(cè)的影響。同時(shí)，試件的設(shè)計(jì)寬度大于檢測(cè)線圈三倍直徑，拉伸后試件尺寸變化的邊界效應(yīng)對(duì)非線性渦流檢出信號(hào)的影響可忽略不計(jì)。因此，可認(rèn)為不同塑性變形的試件非線性渦流檢測(cè)信號(hào)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(hào)頻譜圖Fig.1 Spectrum of NEC detection signal

1.2 非線性渦流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)非線性渦流法自行搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)采集分析三部分，主要儀器設(shè)備有WF1944B信號(hào)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中信號(hào)采集分析系統(tǒng)基于LabVIEW自行開發(fā)，并自行設(shè)計(jì)了非線性渦流檢測(cè)探頭。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中由WF1944B信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦交流信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后，一路信號(hào)輸入非線性渦流探頭的激勵(lì)線圈對(duì)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(cè)系統(tǒng)作為參考信號(hào)。非線性渦流探頭的檢測(cè)線圈受試件中感生渦流的影響將采集到的檢測(cè)信號(hào)通過采集卡輸入到LabVIEW檢測(cè)系統(tǒng)。在非線性渦流檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)檢測(cè)信號(hào)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(píng)價(jià)研究。

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

筆者自行設(shè)計(jì)的非線性渦流檢測(cè)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(lì)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(shí)物圖如圖3所示。

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

在實(shí)驗(yàn)中通過夾具將非線性渦流檢測(cè)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(hào)經(jīng)過采集卡輸入到LabVIEW的信號(hào)采集分析系統(tǒng)中進(jìn)行頻譜分析，主要記錄檢出信號(hào)頻譜圖中的基波幅值和三倍、五倍頻率的諧波幅值并對(duì)其進(jìn)行分析，得到信號(hào)隨塑性變形程度的變化規(guī)律。如果實(shí)驗(yàn)中采用的激勵(lì)頻率為5 kHz，那么功率譜中5 kHz對(duì)應(yīng)的幅值為基波幅值，15 kHz對(duì)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(hào)采集分析的系統(tǒng)及參數(shù)如圖4所示。

圖4 信號(hào)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(cè)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(yàn)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(cè)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(hào)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(hào)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(cè)試件Fig.5 Stretched specimens of different deformation

3 Q195碳素鋼塑性損傷評(píng)價(jià)

將5個(gè)不同塑性損傷的碳素鋼試件分別固定在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)探頭下，采用的激勵(lì)頻率為50 kHz，每個(gè)試件重復(fù)檢測(cè)三次以保證重復(fù)性。對(duì)檢出信號(hào)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(cè)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(cè)信號(hào)的基頻幅值和三次諧波幅值都出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，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(cè)結(jié)果Fig.6 Testing results of Q195 steel specimens

考慮到激勵(lì)頻率是否存在影響，使用非線性渦流檢測(cè)探頭分別在不同激勵(lì)頻率為10kHz，20kHz下對(duì)同一組不同塑性變形碳素鋼試件進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)試件采集3次信號(hào)，對(duì)檢出信號(hào)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?？梢?，在不同的激勵(lì)頻率下，諧波幅值數(shù)據(jù)存在一定差異，但檢測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)基本一致,可排除不同激勵(lì)頻率的選取對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

圖7 不同頻率下的基波幅值檢測(cè)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(píng)價(jià)

將6個(gè)不同塑性損傷的碳素鋼試件分別固定于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)探頭下，激勵(lì)頻率為5kHz，每個(gè)試件重復(fù)檢測(cè)三次以保證實(shí)驗(yàn)重復(fù)性。對(duì)檢出信號(hào)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(cè)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(cè)信號(hào)的基頻幅值和三次諧波幅值都出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，塑性變形與檢測(cè)信號(hào)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(cè)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(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)不同。不銹鋼的上升趨勢(shì)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(shì)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(cè)技術(shù)自行搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)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(píng)價(jià)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(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)隨損傷程度增大而下降；304奧氏體不銹鋼的檢測(cè)信號(hào)隨損傷程度增大而上升?；谒玫降木€性關(guān)系可對(duì)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(píng)估，具有一定的發(fā)展前景。

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50977070)；中國(guó)工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金資助項(xiàng)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?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)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(cè)方法研究》(《無損檢測(cè)》2011年第33卷第9期)等論文。 E-mail: yunfei1211@163.com