【摘要】：在實際工業(yè)生產中,大多數(shù)壓力容器等設備的損傷失效是由長期服役于高壓、重載環(huán)境而引起的材料內部組織早期細觀損傷演化所致。細觀損傷的出現(xiàn)會使材料內部的組織和力學性能發(fā)生劣化,致使材料的承載能力降低,嚴重時會影響工業(yè)生產效率甚至誘發(fā)災難性事故。因此,開展有效的檢測方法來探究容器用鋼在承載作用下的細觀損傷演化機理,實現(xiàn)材料損傷的早期檢出對于設備的長周期安全運行和事故的預防具有重要的意義。本文以壓力容器常用鋼Q245R鋼為研究對象,采用聲發(fā)射技術和非線性超聲技術,對Q245R鋼雙邊“V”型缺口試件的拉伸損傷過程進行在線檢測。分析試件拉伸損傷過程的聲發(fā)射特性和非線性超聲特性,探究金屬材料的細觀損傷演化規(guī)律,為材料損傷的早期發(fā)現(xiàn)提供一種有效的方法。主要內容概括如下:(1)結合金屬材料的細觀損傷演化機理和瞬態(tài)應力波釋放理論,分析得知位錯運動是材料細觀損傷過程的典型聲發(fā)射源產生機制。依據(jù)位錯運動建立損傷與聲發(fā)射特征參數(shù)N間的聯(lián)系,結果發(fā)現(xiàn),隨著材料受載的增大,位錯運動加劇,損傷愈加嚴重,N值不斷增加;(2)依據(jù)金屬材料的細觀損傷演化機理和非線性超聲的理論基礎,分析得知位錯結構演化是材料細觀損傷過程產生超聲非線性響應的主要機制,超聲非線性系數(shù)β能夠表征超聲非線性響應的強弱。基于位錯弦理論建立損傷與β值間的聯(lián)系,結果發(fā)現(xiàn),隨著載荷的增大,位錯運動加劇,材料損傷加重,β值不斷增加;(3)采用聲發(fā)射技術對試件的拉伸損傷過程進行在線監(jiān)測,綜合運用聲發(fā)射參數(shù)分析法和時頻分析法對試件拉伸損傷不同階段的聲發(fā)射特性進行分析。結果表明,不同的拉伸損傷階段聲發(fā)射信號特征不同。在彈性變形階段,試件內部損傷較弱,損傷模式單一,聲發(fā)射特征表現(xiàn)為信號活性和強度較小;屈服和強化階段,試件損傷嚴重,損傷機制復雜多樣,聲發(fā)射信號活性和強度顯著增大。(4)采用非線性超聲技術對試件的拉伸損傷過程進行在線測試,計算試件在不同載荷下不同位置的β值。分析β值的變化規(guī)律得知:隨著載荷的增加,各測試點β值均呈現(xiàn)增加的趨勢,彈性變形階段,試件損傷較弱,β值緩慢增加;塑性損傷階段,試件損傷嚴重,β值快速增加。不同位置β值變化規(guī)律表明,缺口位置損傷最為嚴重,β值增長幅度最大,隨著與缺口距離的增加,所受應力減小,損傷程度減弱,β值增長幅度減小;(5)選取聲發(fā)射累積撞擊計數(shù)N_h為聲發(fā)射表征參量,以不同載荷下的N_h值與極限載荷下的N_h值的比值定義損傷因子D。分別在彈性變形和塑性損傷階段對N_h值與載荷間的關系進行數(shù)值擬合,聯(lián)立擬合公式計算試件的屈服載荷,得到試件在彈性變形階段和塑性損傷階段D的取值范圍,利用D值實現(xiàn)材料損傷的聲發(fā)射量化表征;(6)選取超聲非線性系數(shù)β為非線性超聲表征參量,以不同載荷下的β值與極限載荷下的β值的比值定義損傷因子D’。分別在彈性變形和塑性損傷階段對β值與載荷間的關系進行數(shù)值擬合,聯(lián)立擬合公式計算試件的屈服載荷,得到試件在彈性變形階段和塑性損傷階段D’的取值范圍,利用D’值實現(xiàn)材料損傷的非線性超聲量化表征;(7)對聲發(fā)射測試得到的屈服載荷值,非線性超聲測試得到的屈服載荷值與試件的名義屈服強度值進行比較,結合聲發(fā)射和非線性超聲技術的測試機理,進一步認識材料的細觀損傷演化規(guī)律,為金屬材料早期損傷的發(fā)現(xiàn)提供一種新的測試方法。
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG142.15
【圖文】：

化過程中必然伴隨著_>性應力波的釋放和高次諧波的產生，因此，可以采用聲發(fā)射技術監(jiān)測金屬材料損傷全過程產生的聲源信號，采用非線性超聲檢測技術測試金屬材料損傷過程中因應力變化而引起的損傷狀態(tài)的變化，從損傷的過程和狀態(tài)角度對金屬材料的損傷情況進行分析，揭示金屬材料細觀損傷演化機理。2.2 金屬材料的細觀損傷演化機理金屬材料在應力作用下的塑性變形和裂紋擴展，是結構損傷失效的重要機制[39]。金屬材料在靜載荷的作用下會產生彈性變形、塑性變形和斷裂三種不同的損傷失效形式，在多數(shù)情況下，塑性變形是導致金屬材料損傷失效的主要因素，當塑性變形進行到一定程度時，材料內部產生微裂紋，并在持續(xù)載荷的作用下裂紋不斷擴展直至斷裂[40-41]。本文著重從塑性變形和裂紋擴展斷裂兩種損傷階段來描述金屬材料細觀損傷演化機理。2.2.1 塑性變形過程當試件所受載荷增加到一定數(shù)值后再卸載時，試件發(fā)生的變形不能完全消失，這時材料進入塑性變形階段。塑性變形的主要方式是滑移和孿生，晶體的滑移是通過位錯逐步地移動來完成的[42]。晶體通過刃型位錯的滑移運動過程示意圖如圖 2.1 所示。

滑移面垂直位置進行攀移，是能量急劇釋放的主要誘因。2.2.2 裂紋擴展斷裂過程金屬試件在斷裂前按是否發(fā)生明顯的塑性變形及斷裂過程消耗能量的多少可分韌性斷裂與脆性斷裂。韌性斷裂是一種緩慢的撕裂過程，過程中消耗能量，斷裂部位現(xiàn)明顯的頸縮狀的局部塑性變形；脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前不發(fā)生塑性變相比于塑性變形更加危險�，F(xiàn)階段，隨著研究手段的不斷進步，人們對于細觀損傷過的研究主要基于細觀理論。細觀理論從材料內部微觀組織上的位錯出發(fā)，研究位錯的化及裂紋的形成過程，已成為細觀損傷研究的熱點。韌性金屬材料裂紋擴展斷裂過程如圖 2.2 所示�？s頸開始時縮頸部位形成一個不尖銳的小型環(huán)狀缺口，試件原先受到的均勻軸向拉應力狀態(tài)被破壞，形成三項拉應力態(tài)；當頸內部三向應力達到一定程度時，試件中間部位夾雜等二相粒子破碎或質點與體分離，產生很多細小的孔洞；隨著損傷的不斷演化，微孔長大，聚合成微裂紋；微紋在應力作用下還沿著與力軸垂直的方向撕裂擴展，橫向裂紋在剪切變形帶內形成大，與裂紋連接成鋸齒狀，構成杯錐狀底部的斷口，裂紋擴展是一個相對緩慢的過程由于裂紋的不斷產生擴展，最后試件邊緣沿著最大切應力方向快速斷裂。

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本文編號：2718322