背景简介

  高温金属材料虽然具有优良的抗高温性能，但如果长期在高温、高压、载荷交变等严苛工况下服役，也会产生微裂纹、微孔洞、析出相等微小损伤。微小损伤的不断累积会发展成为大尺度缺陷，导致材料的机械性能劣化，造成材料失效破坏。微损伤的产生和扩展过程一般会占据整个材料损伤失效周期的大部分时间，因此微损伤的检测与评价对材料的失效预防、性能评估、寿命预测等尤为重要。

  与常规的无损检测方法相对，非线性超声检测方法对材料微观组织结构的改变更加敏感，在检测材料微损伤方面具有独特的优势，因而受到广泛关注。虽然国内外学者对非线性超声检测方法进行了大量的理论与实验研究，但当前依然存在缺少专用的检测仪器、最佳的检测参数难以确定、材料微损伤定量评价困难等诸多问题，阻碍了该方法走向实际工程应用。

成果介绍

    （1）研制了两代非线性超声检测仪（表1）。第一代检测仪为集成式，由信号发生器、功率放大器、信号采集卡等仪器组装而成，尺寸较大、较笨重。第二代检测仪是完全自主研制，由FPGA核心主控电路、数模转换电路、运算放大电路、功率放大电路、微弱信号放大电路、滤波电路等组成，尺寸小、轻量便携。开发了与检测仪配套的非线性超声检测软件，具有信号激励参数设置、检测信号分析处理、损伤量化与评价等功能。

表1 两代非线性超声检测仪的性能参数对比

（2）通过理论分析和仿真模拟阐明了材料微损伤的混频非线性超声检测机理（图1），提出了混频非线性超声检测方法。通过实验研究了混频激励信号的波形、幅值、频率等检测参数对材料损伤检测性能的影响，选取连续正弦信号作为激励波形，制定了基于响应幅值最大化的信号激励电压确定原则，提出了基于频率扫查的信号激励频率选取方法，实现了材料微损伤的高效、精确检测。

图1 混频非线性超声检测方法的理论分析与仿真模拟

（3）通过700℃的高温老化实验制备了老化时长分别为1338 h、2544 h、3624 h和5050 h的316H不锈钢试样。采用自主研制的非线性超声检测仪，利用混频非线性超声检测方法对316H试样的老化损伤进行检测，获得了基频分量能量幅值、混频分量能量幅值和混频非线性指数随老化时间的变化规律，并建立了混频非线性指数与老化试样硬度之间的定量关系（图2）。实验结果证明混频非线性超声方法可用于检测316H材料的热老化损伤。

图2 316H不锈钢试样老化损伤的混频非线性超声检测结果

（4）利用SEM和TEM技术对老化后316H材料的微观组织结构变化进行了表征与分析（图3和图4）。结果表明：由热老化引起的材料微观组织变化主要是析出物的出现与演变，随着老化时间增长，析出物不断增多，析出物最初主要分布在晶界处，一定时间后在晶体内出现；由析出物带来的弥散强化效应和位错钉扎效应是造成材料硬度增加的主要原因，而析出物的生成、粗化和团聚导致材料的非线性增大，从而引起混频非线性指数的增加。

图3 不同老化时间下316H试样的SEM图像

图4 老化5050 h的316H试样的TEM和EDS图像

致谢

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家市场监督管理总局科技计划项目、绍兴市特种设备智能检测与评价重点实验室开放课题的支持。本文第一作者：罗利佳 （浙江工业大学），本文通讯作者：包士毅（浙江工业大学）。

本期小编 罗利佳（整理）

吴林森（校对）

  郭子键  （审核）

董乃健（发布）