基于表面波的塑性變形電磁超聲定量無(wú)損檢測(cè)

趙思琦,裴翠祥,肖　盼,陳振茂

(西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心，西安 710049)

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基于表面波的塑性變形電磁超聲定量無(wú)損檢測(cè)

趙思琦,裴翠祥,肖盼,陳振茂

(西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心，西安 710049)

電磁超聲具有非接觸、易于激發(fā)和接收表面波等優(yōu)點(diǎn)，探討了基于表面波的金屬材料塑性變形電磁超聲無(wú)損檢測(cè)及定量方法。首先，建立了電磁超聲有限元數(shù)值計(jì)算模型，開(kāi)展了電磁超聲表面波探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上搭建了基于電磁超聲表面波檢測(cè)的塑性變形檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)；其次，采用具有不同塑性變形的單軸和雙軸拉伸不銹鋼試件，分析了塑性變形的大小和方向與表面波傳播速度之間的關(guān)系。最后，通過(guò)電磁超聲系統(tǒng)測(cè)量表面波在兩個(gè)正交方向的傳播速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不銹鋼試件雙軸塑性變形的定量無(wú)損檢測(cè)。

無(wú)損檢測(cè)；電磁超聲；塑性變形；表面波

塑性變形的存在對(duì)材料的力學(xué)性能有重大影響，在焊接構(gòu)件的制造和熱處理過(guò)程中尤為明顯。在工作溫度、工作介質(zhì)及塑性變形的共同作用下，構(gòu)件的抗疲勞強(qiáng)度、抗斷裂能力、抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂及高溫蠕變開(kāi)裂的能力都將大大下降，從而造成使用過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題，甚至引發(fā)許多質(zhì)量事故[1]。因此對(duì)塑性變形的定量無(wú)損檢測(cè)具有重要意義。

塑性變形的傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù),如X射線(xiàn)衍射法、金相分析法等在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，并且由于操作復(fù)雜、精度低等原因，其在實(shí)際工程中的應(yīng)用受到了限制。與其他無(wú)損檢測(cè)方法相比，電磁超聲無(wú)損檢測(cè)由于具有非接觸性、靈活性、檢測(cè)速度快、檢測(cè)能力強(qiáng)大等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料的無(wú)損評(píng)價(jià)和無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中。

筆者研究了基于表面波的金屬材料電磁超聲塑性變形測(cè)量方法，建立了相應(yīng)的電磁超聲有限元計(jì)算模型，進(jìn)行了表面波探頭的優(yōu)化工作，搭建了塑性變形測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了具有不同塑性變形的單軸、雙軸拉伸不銹鋼試件中塑性變形的大小和方向與表面波傳播速度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不銹鋼試件雙軸塑性變形的定量無(wú)損檢測(cè)。

1　測(cè)量方法及試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1塑性變形測(cè)量原理

根據(jù)聲彈性效應(yīng)，可將在試件表面?zhèn)鞑サ谋砻娌úㄋ俸推矫鎽?yīng)力/應(yīng)變場(chǎng),由式(1)聯(lián)系起來(lái)[2-3]:

(1)

式中：v1和v2分別為在ε1和ε2的作用下表面波在x1和x2兩個(gè)方向上的傳播速度;v0為無(wú)應(yīng)變情況下的表面波波速;K1和K2為由材料決定的應(yīng)變-聲系數(shù);ε1和ε2為均勻分布在材料表面的主應(yīng)變(變形)場(chǎng)。

基于這一公式，就可通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)主應(yīng)變方向上的表面波波速的變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)主應(yīng)變的估算。

圖1　塑性變形測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為基于電磁超聲表面波檢測(cè)的塑性變形測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)，其主要由RITEC RAM-5000 SNAP電磁超聲系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件、示波器、濾波器、檢測(cè)探頭及試件等構(gòu)成。在試驗(yàn)過(guò)程中由RAM-5000系統(tǒng)提供脈沖激勵(lì)電流，通入了脈沖電流的激勵(lì)探頭會(huì)在試件表面激發(fā)出表面波信號(hào)，這一信號(hào)由同樣布置在試件表面的檢出探頭接收，再經(jīng)由濾波器濾波后通入到示波器中，從而實(shí)現(xiàn)表面波信號(hào)的檢測(cè)。

為了實(shí)現(xiàn)表面波的激勵(lì)與檢測(cè)，試驗(yàn)過(guò)程中需要將如圖1(b)所示的兩個(gè)相同的表面波電磁超聲探頭相隔一定的距離放置在試件表面上。表面波電磁超聲探頭由方形銣鐵硼磁鐵以及如圖1(c)所示的回折型線(xiàn)圈構(gòu)成。圖1(c)中的回折型線(xiàn)圈由線(xiàn)徑為0.2 mm的漆包線(xiàn)繞制，共9匝，線(xiàn)圈總長(zhǎng)為42 mm，寬度為23 mm。

2　表面波電磁超聲探頭的數(shù)值模擬

2.1數(shù)值計(jì)算模型為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在數(shù)值模擬過(guò)程中將實(shí)際的三維模型簡(jiǎn)化為二維有限元計(jì)算模型。簡(jiǎn)化模型的長(zhǎng)度為120 mm，高度為25 mm。材料為鋁，密度ρ為2.7×103kg·m-3，彈性模量E為6.97×1010N·m-2，泊松比ν為0.33，電導(dǎo)率σ為3.45×107S·m-1。表面波電磁超聲探頭中的永磁鐵簡(jiǎn)化為z方向的大小為0.5 T的均勻靜態(tài)磁場(chǎng)，激勵(lì)與檢出探頭中的回折型線(xiàn)圈如圖2所示，線(xiàn)圈長(zhǎng)度L為40 mm，導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑為0.4 mm，導(dǎo)線(xiàn)間的間距D為0.4 mm，線(xiàn)圈的提離均為1.75 mm，兩個(gè)線(xiàn)圈間的距離為30 mm，通入線(xiàn)圈中的脈沖激勵(lì)電流幅值為1 A。

圖2　回折型線(xiàn)圈模型

2.2數(shù)值模擬結(jié)果

為了使模擬的表面波信號(hào)的幅值達(dá)到最大，通入激勵(lì)探頭中的脈沖電流的頻率需要經(jīng)過(guò)計(jì)算來(lái)選取[4]。最佳激勵(lì)頻率f是如式(2)所示的表面波波速v和線(xiàn)圈中導(dǎo)線(xiàn)間距D的函數(shù):

(2)

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)間距D為0.4 mm時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到最佳激勵(lì)頻率約為3.61 MHz。為了驗(yàn)證最佳激勵(lì)頻率，分別選取低于和高于3.61 MHz的兩個(gè)激勵(lì)頻率。在通入這三種頻率的脈沖電流的情況下，距離激勵(lì)線(xiàn)圈30 mm處的表面質(zhì)點(diǎn)在z方向的速度信號(hào)如圖3所示(旁邊小圖為局部放大圖)。比較模擬信號(hào)中的表面波部分，可發(fā)現(xiàn)在激勵(lì)頻率為3.61 MHz時(shí)，表面波有最大的幅值，從而驗(yàn)證了最佳激勵(lì)頻率的正確性。

圖3　不同激勵(lì)頻率下的模擬表面波信號(hào)

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1單軸拉伸試件的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)中需要進(jìn)行測(cè)量的單軸拉伸試件呈狗骨型。試件由304不銹鋼制成，密度ρ為8.03×103kg·m-3，彈性模量E為1.97×1011N·m-2，泊松比ν為0.33，電導(dǎo)率σ為1.1×106S·m-1。單軸試件的加載方向平行于試件的軋制方向，包括基準(zhǔn)試件在內(nèi)的8個(gè)試件具有從0%～15%的塑性變形(ε1)。

圖4　單軸拉伸試件實(shí)物圖

表面波在不銹鋼中的傳播速度為2 830.51 m·s-1，試驗(yàn)過(guò)程中使用的回折型線(xiàn)圈的導(dǎo)線(xiàn)間距D為3 mm，利用公式(2)可得出最佳激勵(lì)頻率約為0.5 MHz。其中激勵(lì)與檢出探頭之間的距離保持為58 mm不變。表面波信號(hào)到達(dá)檢出位置的時(shí)間隨塑性變形的變化如圖5所示(旁邊小圖為局部放大圖)。從圖中可以看出，在兩個(gè)表面波探頭的相對(duì)距離保持不變的情況下，表面波信號(hào)到達(dá)檢出位置的時(shí)間將隨著塑性變形的增加而減小。即，在不銹鋼單軸拉伸試件中，表面波的傳播速度將隨著塑性變形的增加而增加。

圖5　單軸拉伸試件在不同塑性變形下的表面波信號(hào)

圖6　單軸拉伸塑性變形與表面波波速相對(duì)變化量之間的關(guān)系

將通過(guò)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合[5]，得到了如圖6所示的單軸拉伸塑性變形的幅值與表面波波速的相對(duì)變化量之間的線(xiàn)性關(guān)系。為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)，從圖6中可以看出，兩次試驗(yàn)結(jié)果的差值可忽略不計(jì)。根據(jù)式(1)，可以計(jì)算得到應(yīng)變-聲系數(shù)K1為0.401。

圖7　雙軸拉伸試件實(shí)物圖

3.2雙軸拉伸試件的試驗(yàn)結(jié)果

如圖7所示的雙軸拉伸試件呈十字形，試件材料與單軸拉伸試件相同，均為304不銹鋼。經(jīng)過(guò)雙軸拉伸的4個(gè)試件中引入了1%～3.8%的塑性變形。雙軸拉伸試件的試驗(yàn)采用與上節(jié)中單軸拉伸試件試驗(yàn)相同的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。然而由于加工工藝的限制，同一雙軸試件在兩個(gè)正交拉伸方向上的塑性變形不完全相同。因此，對(duì)于每一個(gè)試件都需要在兩個(gè)正交方向上分別進(jìn)行表面波信號(hào)的測(cè)量。同時(shí)為了便于總結(jié)雙軸拉伸試件中塑性變形與表面波波速變化量之間的關(guān)系，在數(shù)據(jù)處理時(shí)還需要對(duì)兩個(gè)方向上的塑性變形及相應(yīng)的表面波波速的變化量分別求取平均值。

利用與上節(jié)相同的數(shù)據(jù)處理方法，得到了雙軸拉伸試件中表面波波速的相對(duì)變化量與塑性變形之間的關(guān)系。如圖8所示，兩條擬合直線(xiàn)分別表示了單軸、雙軸拉伸試件中表面波波速的相對(duì)變化量與塑性變形的線(xiàn)性關(guān)系。由于雙軸拉伸試件中存在ε2的影響，可以發(fā)現(xiàn)圖8中的雙軸拉伸試件的線(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)的斜率要比單軸拉伸試件的斜率大。結(jié)合上節(jié)中K1的計(jì)算結(jié)果，利用式(1)可以得到應(yīng)變-聲系數(shù)K2=0.313。

圖8　表面波波速相對(duì)變化量隨單軸、雙軸塑性變形的變化規(guī)律

將在雙軸試件的兩個(gè)正交的拉伸方向上測(cè)量得到的表面波波速相對(duì)變化量,代入已經(jīng)求得系數(shù)K1和K2的式(1)中，即可得到雙軸試件在兩個(gè)拉伸方向上塑性變形的計(jì)算值，表1分別給出了4個(gè)雙軸拉伸試件中塑性變形的實(shí)際值及計(jì)算值(右上角不帶撇的符號(hào)表示實(shí)際值，帶撇的符號(hào)表示計(jì)算值)。比較表1中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，除1號(hào)試件以外，其他試件中計(jì)算得到的塑性變形和相對(duì)應(yīng)的實(shí)際塑性變形之間的誤差處于可以接受的范圍內(nèi)。而對(duì)于1號(hào)試件，由于試件的塑性變形較小，因此計(jì)算結(jié)果很容易被測(cè)量誤差影響，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的塑性變形之間存在較大誤差。

表1　雙軸拉伸試件的實(shí)際以及計(jì)算塑性變形

4　結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于表面波的金屬材料塑性變形的電磁超聲無(wú)損檢測(cè)及定量方法，建立了電磁超聲有限元數(shù)值計(jì)算模型，開(kāi)展了電磁超聲表面波探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，搭建了基于電磁超聲表面波檢測(cè)的塑性變形檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)具有不同塑性變形的單軸和雙軸拉伸不銹鋼試件進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果給出了塑性變形與表面波波速相對(duì)變化量之間清晰的線(xiàn)性關(guān)系?；谠囼?yàn)結(jié)果給出了塑性變形與表面波波速相對(duì)變化量之間的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不銹鋼試件雙軸塑性變形的定量無(wú)損檢測(cè)。在下一步的工作中，將進(jìn)一步優(yōu)化電磁超聲表面波探頭，獲取頻率更高的表面波，從而提高文中所用方法的精確度及分辨率。

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Plastic Strain Measurement with Electromagnetic Acoustic Testing Method Based on Surface Wave

ZHAO Si-qi, PEI Cui-xiang, XIAO Pan, CHEN Zhen-mao

(Shanxi Engineering Research Center of NDT and Structural Integrity Evaluation, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

Due to the non-contact feature and the ability of easily generating and detecting surfacewaves, in this work, electromagnetic acoustic transducers (EMATs) are studied for the nondestructive testing and evaluation of plastic strain in metal materials with using surface waves. Firstly, a numerical model based on finite element method (FEM) is established for EMAT simulation and optimization. And a surface-wave EMAT experimental system is constructed for plastic strain measurement. Secondly, the relationship between the magnitude and direction of the plastic strain and the velocity of the surface wave is studied by EMAT with using uniaxial and biaxial tensile stressing of stainless steel samples with various plastic strains. Finally, a quantitative NDT of biaxial plastic strain in stainless steels was realized with measuring the velocities of surface waves in two orthogonal directions by EMATs.

Nondestructive testing; EMAT; Plastic strain; Surface wave

2016-06-22

趙思琦(1993-)，女，碩士研究生，主要從事電磁無(wú)損檢測(cè)理論和試驗(yàn)研究工作，E-mail: zhaosiqi@stu.xjtu.edu.cn。

陳振茂(1964-)，男，教授，E-mail: chenzm@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201610007

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0025-04