【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(huì)因長(zhǎng)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(shí)間不斷發(fā)展將最終導(dǎo)致構(gòu)件的失效,嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)災(zāi)難性的事故。在過(guò)去幾十年,為了保障構(gòu)件的安全運(yùn)行,基于電磁和超聲的無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。但是由于缺乏檢測(cè)信號(hào)與損傷／缺陷的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)及評(píng)定方法,這些技術(shù)的可靠性一直頗受爭(zhēng)議。本研究主要針對(duì)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(cè)模型,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)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?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：(1)對(duì)高溫構(gòu)件常用材料的微觀組織演化對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了觀測(cè)和分析。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得10CrMo910、P91及23CrMoNiWV88三種材料的居里點(diǎn)溫度,使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)研究了其在服役溫度下磁學(xué)性能的變化。進(jìn)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(gè)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(huì)使磁疇的分布發(fā)生變化,同時(shí)位錯(cuò)密度的變化也會(huì)對(duì)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(wú)損檢測(cè)方法具有開(kāi)發(fā)成為高溫構(gòu)件蠕變損傷實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的潛力。(2)針對(duì)早期蠕變過(guò)程中材料微觀組織的演化,考慮其對(duì)疇壁運(yùn)動(dòng)的釘扎作用,對(duì)J-A模型進(jìn)行了修正。使用VSM測(cè)試了短時(shí)蠕變?cè)嚇拥拇艑W(xué)性能,同時(shí)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(cè)了試樣經(jīng)過(guò)蠕變后微觀組織的演化,定量計(jì)算了不同蠕變?cè)嚇拥牧司Я３叨取⑽诲e(cuò)密度和析出物的數(shù)量。發(fā)現(xiàn)使用QB-PSO算法擬合蠕變?cè)嚇拥拇艤鼐�所得到的J-A模型參數(shù)與使用定量金相法計(jì)算相應(yīng)蠕變?cè)嚇泳Я３叽纭⑽诲e(cuò)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(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)值相差50倍以上。此外對(duì)含早期蠕變損傷的試樣進(jìn)行了次磁滯回線檢測(cè),計(jì)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(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(SQUID-VSM)測(cè)試了緊湊拉伸(CT)蠕變?cè)嚇由喜煌瑓^(qū)域的磁滯特性。使用有限元模擬和顯微金相觀測(cè)方法,分析了蠕變損傷與磁學(xué)信號(hào)之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蠕變空洞對(duì)材料矯頑力和剩磁的影響十分嚴(yán)重。研究了不同蠕變機(jī)制下蠕變空洞長(zhǎng)大對(duì)材料疇壁運(yùn)動(dòng)的影響,進(jìn)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(jī)制下材料的磁滯特性,并與服役材料檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,應(yīng)力多軸度越大,對(duì)磁滯特性的削弱能力就會(huì)越強(qiáng)；修正的J-A模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)擴(kuò)散和冪率蠕變控制機(jī)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(chǎng)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(shí)間窗口和二維傅里葉變換提取了不同模式的振幅從而計(jì)算了散射系數(shù),并且與模式分解法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)同樣尺寸和材料的含裂紋鋁板進(jìn)行了檢測(cè),將傳感器接收到的信號(hào)與有限元模擬的信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),有限元模擬計(jì)算的散射系數(shù)與模式分解法計(jì)算的結(jié)果取得了非常好的一致性。試驗(yàn)測(cè)得的信號(hào)與有限元計(jì)算的信號(hào)十分吻合,再次證明了模式分解法計(jì)算的有效性。結(jié)合裂紋前端和尾端各個(gè)模式的散射系數(shù),就可定量地分析缺陷對(duì)構(gòu)件中超聲信號(hào)的影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在特定頻率區(qū)間(300-500kHz),可通過(guò)檢測(cè)高階反對(duì)稱Lamb波直接辨識(shí)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(cè)技術(shù)中,從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件缺陷的高效、可靠檢測(cè)。
【圖文】：

束空洞長(zhǎng)大機(jī)制、動(dòng)態(tài)亞晶粗化機(jī)制、及位錯(cuò)增加機(jī)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(kāi)裂機(jī)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(cuò)的尺寸基本在逡逑１０至ｌＯＯｍｎ，而長(zhǎng)大的蠕變空洞尺寸一般在１至１０＾ｍｌ之內(nèi)，當(dāng)蠕變空洞聯(lián)結(jié)后形成微逡逑

同時(shí)使用欽合金材料分別進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)材料微觀組織定量金相法計(jì)算出了逡逑材料蠕變后位錯(cuò)密度及析出物的體積分?jǐn)?shù)。進(jìn)而代入非線性參量計(jì)算公式得到了其實(shí)驗(yàn)逡逑值，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論值與實(shí)驗(yàn)值有很好的一致性，，如圖１．２所示。之后還用這種方法對(duì)逡逑正在進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)的材料進(jìn)行了蠕變壽命評(píng)估。與最終的試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)逡逑的誤差都在１５％Ｗ內(nèi)。不過(guò)此項(xiàng)研究中的蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間普遍較短，與現(xiàn)場(chǎng)服役構(gòu)件的真逡逑實(shí)蠕變情況有所不同，所Ｗ還需更長(zhǎng)時(shí)間的蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)而驗(yàn)證結(jié)果的普遍性。另外，非逡逑線性參量這種隨蠕變時(shí)間非單調(diào)的變他規(guī)律也可能會(huì)為今后的操作人員造成不小的麻逡逑煩，需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員根據(jù)情況準(zhǔn)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�。插澹搴㈠澹裕瑁澹铮颍寤幔戾澹洌幔欤徨澹ǚ冢。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�，＿Ｊ邐Ｉ．
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG115.28

【參考文獻(xiàn)】

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2 涂善東;軒福貞;王衛(wèi)澤;;高溫蠕變與斷裂評(píng)價(jià)的若干關(guān)鍵問(wèn)題[J];金屬學(xué)報(bào);2009年07期

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本文編號(hào)：2554255