無損檢測 非線性超聲檢測

1、ICS XX.XXX.XXCCS X XXX團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTM XXXXX202X 無損檢測 非線性超聲檢測Non-destructive testingNonlinear ultrasonic testing202X-XX-XX 發(fā)布 202X-XX-XX 實施發(fā)布中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟T/CSTM XXXXX2020T/CSTM XXXXX20201I前 言本文件參照GB/T 1.12020 標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則，GB/T 20001.4標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則 第4部分：試驗方法標(biāo)準(zhǔn)給出的規(guī)則起草。本文件由中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會（C

2、STM/FC94）提出。本文件由中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會（CSTM/FC94）歸口。本文件為首次發(fā)布。T/CSTM XXXXX2020T/CSTM XXXXX2020無損檢測 非線性超聲檢測警示使用本文件的人員應(yīng)有正規(guī)實驗室工作的實踐經(jīng)驗。本文件并未指出所有可能的安全問題。使用者有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證符合國家有關(guān)法規(guī)規(guī)定的條件。范圍本文件規(guī)定了非線性超聲檢測工藝規(guī)程的一般原則。本文件適用于固體金屬/復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。本文件為一般工程材料的非線性超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)或檢測工藝規(guī)程的制定提供指導(dǎo)。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不

3、可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T 9445 無損檢測 人員資格鑒定與認(rèn)證GB/T 12604.1 無損檢測術(shù)語 超聲檢測術(shù)語和定義GB/T 12604.1界定的以及下列術(shù)語和定義將適用于本標(biāo)準(zhǔn)?；?fundamental wave中心頻率為激發(fā)頻率的超聲波信號。二次諧波 Wave mixing中心頻率為二倍激發(fā)頻率的超聲波信號。非線性超聲nonlinear ultrasound不同于基波頻率的新頻率信號的檢測方法?；祛l信號 Wave mixing兩個不同頻率基波的差/和頻諧波信號。相速

4、度匹配 Phase velocity matching導(dǎo)波的基波和諧波的相速度相等。非零能量流 Non-zero energy flow從基波轉(zhuǎn)移到諧波的聲能量不為零。歸一化超聲非線性參數(shù) Normalized ultrasonic nonlinear coefficient表示超聲非線性效應(yīng)程度的參數(shù)信息，與基波和諧波的幅值有關(guān)。二次諧波幅值A(chǔ)mplitude of the second harmonic 二次諧波信號的振幅。方法概要非線性超聲檢測方法概述有限振幅超聲波在固體介質(zhì)中傳播時，與固體介質(zhì)之間產(chǎn)生非線性相互作用，產(chǎn)生非線性信號。這些非線性效應(yīng)與固體介質(zhì)的微觀組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，一部分

5、源于固體介質(zhì)中晶格的非諧性,另一部分源于晶體內(nèi)部的缺陷,如位錯、析出相、微孔洞等微結(jié)構(gòu)。非線性超聲檢測方法通過測量非線性信號獲得介質(zhì)內(nèi)部的微組織變化狀態(tài)，實現(xiàn)對介質(zhì)材料性能的評估和微小缺陷的檢測。非線性超聲檢測可以利用壓電式超聲換能器和耦合劑，以接觸的方式激勵和接收超聲基頻超聲波以及產(chǎn)生的非線性信號；也可以使用激光/激光干涉儀、電磁超聲換能器、空器耦合超聲換能器，以非接觸的方式激勵和接收超聲基頻超聲波以及產(chǎn)生的非線性信號。接觸方式的測量信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，推薦非線性超聲檢測采用接觸方式測量。分類非線性超聲二次諧波檢測方法 非線性超聲體波二次諧波檢測方法單一頻率超聲縱波或橫波在固體介質(zhì)中傳播

6、時，與固體介質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次諧波信號。二次諧波幅值與固體介質(zhì)材料性能和微缺陷密切相關(guān)，可以反映材料性能狀態(tài)。 非線性超聲表面波二次諧波檢測方法單一頻率超聲表面波（Rayleigh波）在半無限固體介質(zhì)中傳播時，與表面/近表面固體介質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次諧波信號。二次諧波幅值與固體介質(zhì)表面/近表面材料性能和微缺陷密切相關(guān)，可以反映固體表面/近表面材料性能狀態(tài)。 非線性超聲導(dǎo)波二次諧波檢測方法單一頻率超聲導(dǎo)波（Lamb波、SH板波、stonely波等）在類板狀固體介質(zhì)中傳播時，與類板狀介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生二次諧波信號，如圖1所示?；ê投沃C波需滿足相速度匹配和非零能量流條件。二次諧波幅值與類板狀固體介

7、質(zhì)材料性能和微缺陷密切相關(guān)，可以反映類板狀固體介質(zhì)材料性能狀態(tài)。圖1 非線性超聲二次諧波檢測原理圖非線性超聲混頻檢測方法 非線性超聲體波混頻檢測方法非線性超聲混頻可以通過兩束超聲縱波或橫波的激勵，以共線或非共線的形式實現(xiàn)。兩種不同頻率基頻波混疊后與介質(zhì)中微損傷相互作用會產(chǎn)生頻率為基頻波和/差頻的諧波，其傳播方向為兩基頻超聲體波波數(shù)的矢量和方向。非線性超聲混頻檢測原理如圖2所示。 非線性超聲導(dǎo)波混頻檢測方法非線性超聲導(dǎo)波混頻可以通過波導(dǎo)中的兩束超聲導(dǎo)波的激勵，以共線或非共線的形式實現(xiàn)，如圖2所示。其中，兩基頻超聲導(dǎo)波與預(yù)期產(chǎn)生的差頻、和頻諧波之間需要滿足內(nèi)部共振條件和非零能量流條件。兩不同頻率基

8、頻波混疊后與介質(zhì)中微損傷相互作用中會產(chǎn)生頻率為兩基頻波和/差頻的諧波，其傳播方向為兩基頻超聲導(dǎo)波波數(shù)的矢量和方向。圖2 非線性超聲混頻檢測原理圖特點非線性超聲二次諧波檢測方法優(yōu)點及局限性非線性超聲二次諧波檢測方法的優(yōu)點如下：基于有限振幅法的非線性超聲二次諧波檢測較為簡便，技術(shù)較為成熟，目前應(yīng)用最多。可有效分離初始基頻波信號和二次諧波信號，進(jìn)而區(qū)分非線性來源；可利用單個換能器激勵，利用陣列傳感器掃查接收非線性超聲體波二次諧波散射信號，實現(xiàn)對內(nèi)部微裂紋的定位檢測。非線性超聲二次諧波檢測方法的局限性如下：對激勵信號的能量有較高的要求，采集分析信號時需要前期濾波處理。采用接觸法測量時，接觸端接觸狀態(tài)的

9、穩(wěn)定對非線性超聲表面波信號測量的可靠性和穩(wěn)定性有影響。非線性超聲導(dǎo)波的復(fù)雜性(如頻散、多模態(tài)等)和單一導(dǎo)波模態(tài)的可激勵性差。非線性超聲混頻檢測方法優(yōu)點及局限性非線性超聲混頻檢測方法的優(yōu)點如下：可以通過合適的基波頻率和諧波頻率設(shè)計，有效地隔離開檢測系統(tǒng)自身的非線性信號，對材料非線性可以實現(xiàn)量化檢測；利用單側(cè)超聲導(dǎo)波信號激勵可以實現(xiàn)非線性超聲導(dǎo)波混頻長距離的材料非線性檢測；可以通過對基頻導(dǎo)波混疊區(qū)域的調(diào)控來實現(xiàn)對整個結(jié)構(gòu)的掃查，完成微損傷的定位檢測；可以通過特定角度的非線性超聲導(dǎo)波混頻實現(xiàn)特殊區(qū)域的微損傷檢測；可以利用不同非線性超聲導(dǎo)波類型（Lamb波/SH板波/表面波）的混頻對微損傷進(jìn)行多方位的

10、綜合檢測。非線性超聲混頻檢測方法的局限性如下：針對非線性超聲導(dǎo)混頻需要預(yù)先進(jìn)行合適的模態(tài)選擇和頻率調(diào)控，從而實現(xiàn)強(qiáng)烈的超聲混頻非線性響應(yīng)的產(chǎn)生，避免非線性超聲導(dǎo)波頻散特性造成的信號分析困難；利用超聲混頻非線性效應(yīng)實現(xiàn)材料微損傷的定位和定量檢測需要對基頻超聲波和諧波的傳播路徑進(jìn)行計算和預(yù)判。應(yīng)用非線性超聲二次諧波檢測應(yīng)用 疲勞損傷檢測和評價工程材料在一定的循環(huán)載荷作用下，會由于材料內(nèi)部產(chǎn)生晶格位錯和微裂紋等導(dǎo)致材料形成疲勞損傷。非線性超聲二次諧波信號的產(chǎn)生對于這類由疲勞損傷引起的材料微觀結(jié)構(gòu)變化較為敏感，可通過歸一化非線性超聲參量來評估材料是否產(chǎn)生疲勞損傷，或評價材料疲勞損傷的程度。 塑性損傷檢

11、測和評價材料在承受過度的拉伸或壓縮等相似類型的載荷后，會由于受載過程超過材料彈性極限而引發(fā)塑性損傷。非線性超聲縱波二次諧波信號的產(chǎn)生強(qiáng)度與某些材料發(fā)生塑性損傷的程度有一定的相關(guān)關(guān)系，可通過歸一化非線性超聲參量來評估材料是否產(chǎn)生塑性損傷，或評價材料發(fā)生塑性損傷的程度。 熱損傷檢測和評價材料在無應(yīng)力或較低應(yīng)力狀態(tài)下由于溫度作用導(dǎo)致的材料性能退化一般稱為熱損傷。材料發(fā)生熱損傷后，其中的固溶原子、析出物及位錯等會在超聲縱波傳播時引發(fā)聲非線性響應(yīng)。激勵合適的超聲波進(jìn)入相應(yīng)的試件中，測量該超聲縱波所引發(fā)的二次諧波和基波幅值，可通過歸一化非線性超聲參量來評估對材料的熱損傷。 蠕變損傷檢測和評價蠕變是指材料在

12、應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。對于在高溫下服役的工程結(jié)構(gòu)，蠕變損傷往往是其失效的主要機(jī)制。非線性超聲二次諧波的產(chǎn)生對于材料的早期蠕變較為敏感，可通過歸一化非線性超聲參量獲得某些材料發(fā)生蠕變損傷的相關(guān)信息，進(jìn)而實現(xiàn)材料剩余壽命的評估等等。 輻照損傷檢測和評價在核輻射環(huán)境中長期服役的各類壓力容器和工程構(gòu)件可能會產(chǎn)生輻照損傷，不同的輻照溫度、中子輻射量引起的材料輻照損傷變化會有所不同。含有輻照損傷的材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)一般與不含輻照損傷的同種材料有較大區(qū)別，其在超聲傳播中所能引起的聲非線性響應(yīng)也會有所不同。使用歸一化非線性超聲參量對此類材料進(jìn)行表征，可較敏感地反映出材料受輻照損傷的程度

13、，進(jìn)而對材料壽命進(jìn)行評估。 黏接界面檢測和評價有些工程結(jié)構(gòu)材料由多個工件通過特定工藝處理黏接而形成，其黏接界面可能會在服役過程中產(chǎn)生微裂紋等缺陷，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的使用壽命。黏結(jié)界面中容易出現(xiàn)的微孔洞、裂紋等往往會導(dǎo)致超聲波的傳播產(chǎn)生非線性效應(yīng)，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的非線性超聲二次諧波的生成。通過對超聲波在黏結(jié)界面中傳播時產(chǎn)生非線性超聲二次諧波信號的測量，可檢測和評估該黏結(jié)界面的缺陷，使用歸一化非線性超聲參量評估其性能退化程度。 腐蝕損傷檢測和評價一些金屬材料在服役過程中容易受到外界環(huán)境的影響而產(chǎn)生腐蝕損傷。腐蝕損傷的產(chǎn)生可以看作是一種電化學(xué)過程，在金屬材料的晶內(nèi)與晶界之間形成微小的原電池，由于存在電

14、勢差，晶界優(yōu)先腐蝕，晶界與晶粒的腐蝕程度不同，從而在材料表面乃至內(nèi)部形成微小的腐蝕坑等。含腐蝕損傷的材料由于內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，會對超聲波的傳播產(chǎn)生非線性應(yīng)，因此測量超聲波在試件中傳播時的基波和二次諧波幅值，使用歸一化非線性超聲參量可以對材料的腐蝕損傷進(jìn)行檢測和評價。 熱處理工藝效果檢測和評價根據(jù)超聲傳播的非線性響應(yīng)不同，對材料的性能變化做出判斷,并與線性超聲檢測技術(shù)的評估結(jié)果進(jìn)行了對比。熱處理工藝可改變金屬材料內(nèi)部微組織結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸，超聲波與不同微組織結(jié)構(gòu)相互作用會產(chǎn)生不同的非線性效應(yīng)。經(jīng)過熱處理之后，材料性能顯著提高，在其中傳播的超聲非線性效應(yīng)則明顯下降。材料經(jīng)過熱處理后性能提升越大

15、，其聲學(xué)非線性效應(yīng)就會變得越小。根據(jù)超聲波傳播的非線性響應(yīng)定性評估不同的熱處理工藝，明確了最優(yōu)的熱處理工藝參數(shù)，實現(xiàn)對材料的熱處理效果進(jìn)行無損評估，從而對熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與完善。非線性超聲混頻檢測檢測應(yīng)用 局部塑性損傷的評價與定位利用一超聲縱波和橫波共線混疊產(chǎn)生頻率不同于兩個初始基頻波的橫波模式的和頻諧波，因超聲縱波和橫波波速差異，通過控制兩個基頻波信號激發(fā)時間，可實現(xiàn)兩個脈沖信號在被測試件內(nèi)混疊的區(qū)域位置，通過非線性超聲混頻諧波信號的幅度變化對局部塑性損傷的定位和評價。 粘接層熱老化的評價合理設(shè)計兩個初始激勵信號的頻率和入射角，兩個初始超聲體波的非共線混疊可以產(chǎn)生波矢與初始波波矢相反的

16、非線性超聲混頻諧波信號，從而實現(xiàn)僅需要從一側(cè)激勵就可對粘接層熱老化進(jìn)行評價，在粘接層受熱過程中，從粘合劑層反射的線性聲學(xué)參數(shù)幾乎不變，而超聲混頻非線性效應(yīng)對粘接層加熱過程更為敏感。 聚合物性能退化的評價利用一超聲縱波和一超聲橫波射入聚合物內(nèi)部并非共線混疊產(chǎn)生一縱波模式非線性超聲混頻諧波，用于評價聚合物的老化。兩基頻波入射角度以及混頻諧波的傳播角度可根據(jù)內(nèi)部共振條件進(jìn)行計算設(shè)計。聚合物的性能退化程度可以被用產(chǎn)生的非線性超聲混頻諧波信號進(jìn)行表征評價。 局部疲勞損傷的早期定位檢測工程結(jié)果在疲勞載荷作用下，在局部位置材料內(nèi)部產(chǎn)生疲勞微損傷。利用兩個超聲導(dǎo)波對向傳播混疊產(chǎn)生非線性超聲導(dǎo)波混頻或差頻諧波，

17、差頻或和頻諧波的模式不同于初始基頻波，實現(xiàn)有效區(qū)分非線性來源。該方法可以有效表征超疲勞微損傷，并通過控制兩個脈沖波混疊的區(qū)域?qū)植科趽p傷進(jìn)行定位評價。 蠕變過程的局部塑性變形評價激勵不同頻率的超聲導(dǎo)波混疊在被測試件中的不同位置，蠕變過程中會出現(xiàn)局部塑性變形程度增加，局部塑性變形誘發(fā)兩混疊的超聲導(dǎo)波產(chǎn)生和頻、差頻諧波，利用和頻或差頻諧波幅值的變化可以檢測評價蠕變過程中的局部塑性變形。 復(fù)合材料局部沖擊損傷的定位檢測利用兩不同頻率的超聲導(dǎo)波同向、共線在復(fù)合材料板中傳播，通過控制射入脈沖信號的激勵時間，實現(xiàn)兩束基頻超聲導(dǎo)波在復(fù)合材料板中的混疊，混疊區(qū)域由兩束脈沖信號的空間寬度決定。兩束超聲導(dǎo)波混疊

18、區(qū)移動至沖擊損傷位置后，就會強(qiáng)化超聲混頻非線性效應(yīng)，進(jìn)而可以檢測和定位復(fù)合材料局部沖擊損傷。影響因素4.5.1 被測試件材料成分、微組織結(jié)構(gòu)的影響被測試件材料成分的不均勻會導(dǎo)致非線性超聲二次諧波幅度或非線性超聲混頻諧波效應(yīng)增加，微組織結(jié)構(gòu)中，如晶粒越大（晶界越少）非線性超聲二次諧波幅度或非線性超聲混頻諧波效應(yīng)會減少，反之增大。4.5.2 被測試件表面粗糙度的影響被檢測試件的表面粗糙度越高，激勵進(jìn)入試件中的超聲信號能量會受影響。相同的設(shè)置條件下，基頻波幅度會降低，非線性超聲二次諧波或非線性超聲混頻諧波幅度也會降低。4.5.3 被測試件幾何尺寸的影響非線性超聲體波二次諧波和非線性超聲表面波二次諧波

19、檢測應(yīng)用中，被測試件的厚度至少要大于超聲信號波長的3倍以上。非線性超聲導(dǎo)波二次諧波檢測應(yīng)用中，則要求被測試件的厚度與超聲信號波長近似相等，但長度要遠(yuǎn)大于波長。4.5.4 激勵信號的影響激勵射頻信號不能發(fā)生飽和失真或波形畸變，引入儀器非線性。4.5.5 耦合狀態(tài)的影響換能器與被測試件的耦合狀態(tài)不發(fā)生大的變化，影響非線性超聲基頻波和二次諧波或混頻諧波幅度改變。4.5.6 其他因素的影響降噪、濾波、增益和后期信號處理等設(shè)置保持一致，保證激勵信號不發(fā)生波形畸變，被測非線性超聲二次諧波或非線性超聲混頻諧波幅度穩(wěn)定。安全要求本章沒有列出進(jìn)行檢測時所有的安全要求，使用本標(biāo)準(zhǔn)的用戶應(yīng)在檢測前建立安全準(zhǔn)則。檢測

20、過程中的安全要求應(yīng)至少包括如下要素：在實施檢測前，應(yīng)對檢測過程中可能傷害檢測人員的各種危險源加以辨識，并對檢測人員進(jìn)行培訓(xùn)和采取必要的保護(hù)措施；檢測人員應(yīng)遵守被檢件現(xiàn)場的安全要求，根據(jù)檢測地點的要求穿戴防護(hù)工作服和佩戴有關(guān)防護(hù)設(shè)備；若有要求，使用的電子儀器應(yīng)具有防爆功能；在進(jìn)行在線檢測時，應(yīng)制定特別的安全措施；在封閉空間內(nèi)進(jìn)行操作時，應(yīng)考慮氧氣含量等相應(yīng)因素，并采取必要的保護(hù)措施；在高空進(jìn)行操作時，應(yīng)考慮人員、檢測設(shè)備器材墜落等因素，并采取必要的保護(hù)措施；在極端環(huán)境下進(jìn)行操作時，如低溫、高溫等條件下，應(yīng)考慮人員凍傷、燙傷、中暑等因素，并采取必要的保護(hù)措施。人員要求采用本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測的人員，應(yīng)按

21、照GB/T 9445或合同各方同意的體系進(jìn)行資格鑒定與認(rèn)證，并由雇主或其代理對檢測人員進(jìn)行崗位培訓(xùn)和操作授權(quán)。檢測工藝規(guī)程通用檢測工藝規(guī)程從事非線性超聲檢測的單位應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)的要求制定通用檢測工藝規(guī)程，其內(nèi)容至少應(yīng)包括如下要素：工藝規(guī)程版本號；適用范圍；依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)或其他技術(shù)文件；檢測人員資格要求；檢測設(shè)備和器材；被檢產(chǎn)品信息及檢測前的準(zhǔn)備要求； 檢測時機(jī)；檢測方法和檢測步驟；檢測的標(biāo)記和原始數(shù)據(jù)記錄要求；檢測后的操作要求；檢測結(jié)果的評價及處理方式；檢測記錄、報告和資料存檔；編制（級別）、審核（級別）和批準(zhǔn)人 ；制定日期。檢測設(shè)備和器材分類根據(jù)激發(fā)非線性效應(yīng)的不同，非線性超聲檢測分為：非線性

22、超聲二次諧波檢測（體波，聲表面波，導(dǎo)波），非線性超聲混頻檢測（體波，導(dǎo)波），非線性超聲次諧波檢測，非線性超聲諧振譜檢測。檢測系統(tǒng)不同的非線性超聲檢測方法所需的檢測儀器有所差異，一般至少包括超聲換能器和儀器，必要時還應(yīng)有夾持裝置和位置記錄裝置。以接觸測量的非線性超聲縱波二次諧波檢測系統(tǒng)為例闡述，檢測設(shè)備和器材如圖3所示。圖3 檢測系統(tǒng)示意圖其它檢測系統(tǒng)中，超聲激勵換能器、超聲接收換能器的數(shù)量、布置方式和布置位置會有所不同。非線性超聲導(dǎo)波（包含表面波）二次諧波的檢測示意圖如圖4所示。圖4 非線性超聲導(dǎo)波（含表面波）二次諧波檢測系統(tǒng)示意圖典型的非線性超聲混頻檢測系統(tǒng)的示意圖如圖5和圖6所示圖5 非線

23、性超聲體波混頻檢測系統(tǒng)示意圖圖6 非線性超聲導(dǎo)波混頻檢測系統(tǒng)示意圖檢測儀器檢測儀器硬件一般包括信號發(fā)生器、功率放大器、信號處理器、信號采集器、計算機(jī)等模塊，如圖3所示（以非線性超聲縱波二次諧波測量裝置為例）。信號發(fā)生器用于產(chǎn)生指定頻率和幅值可調(diào)的交變信號，一般為正弦波信號。為了激發(fā)出有限振幅的超聲波，對于一般的金屬材料，激勵電壓一般應(yīng)達(dá)到200-500v左右。功率放大器用于對信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大，以驅(qū)動超聲換能器對部件局部被測處進(jìn)行超聲縱波激勵。信號處理器信號處理器包含信號放大器和濾波器兩部分，信號放大器用于對超聲接收換能器的接收信號進(jìn)行放大。濾波器用于對信號放大器輸出信號進(jìn)行高通濾

24、波，獲得非線性超聲縱波二次諧波信號。信號采集器用于對非線性超聲縱波二次諧波信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，上傳至主控制器。計算機(jī)用于控制整個儀器的各模塊的工作，對非線性超聲縱波二次諧波信號進(jìn)行信號處理及非線性系數(shù)計算等。超聲換能器 激勵換能器一般選擇窄帶換能器。對非線性超聲體波和表面波，其中心頻率（波長）的選擇應(yīng)結(jié)合被測試件的厚度考慮（參見：影響因素 4.5.3）,對其它非線性超聲導(dǎo)波，其中心頻率選擇應(yīng)結(jié)合非線性超聲導(dǎo)波在該被測試件中傳播的頻散曲線圖（相匹配導(dǎo)波模式）。 接收換能器一般選擇寬帶換能器，頻帶范圍要覆蓋非線性超聲二次諧波或混頻諧波的頻率。檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)概述在標(biāo)準(zhǔn)試塊中開展非線性超聲縱波二次諧波測試

25、，對檢測系統(tǒng)進(jìn)行功能性檢查和調(diào)試。校準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)試塊用于對檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和復(fù)核。采用材質(zhì)均勻的20#鋼材制成的圓柱或方形試塊，試塊高100mm。圓柱試塊直徑為100mm或大于超聲換能器接觸端尺寸且試塊邊緣距超聲換能器邊緣大于30mm。方形試塊100mm100mm，或長邊尺寸大于超聲換能器接觸端外緣尺寸且試塊邊緣距超聲換能器邊緣大于30mm，試塊短邊邊緣距超聲換能器邊緣大于30mm。校準(zhǔn)試件機(jī)加工后熱處理前上下平面粗糙度Ra不大于0.1。系統(tǒng)校準(zhǔn)儀器設(shè)置調(diào)校主要參數(shù)有：激勵波形、激勵信號脈沖長度，激勵頻率、激勵電壓、聲衰減等。在相同的設(shè)置參數(shù)條件下，建立歸一化非線性超聲參量與檢測物理量的對應(yīng)關(guān)系

26、，即標(biāo)定曲線。在保證不發(fā)生信號失真（波形畸變）的條件下，提高射頻信號的激勵電壓，觀察（1）非線性超聲基頻波、二次諧波幅度是否隨激勵電壓增加而線性增長；（2）非線性超聲二次諧波幅度與基頻波幅度平方的比值是否隨激勵電壓增加而保持平穩(wěn)不變。檢測系統(tǒng)的調(diào)試和復(fù)核檢測系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)制定書面規(guī)程，對檢測設(shè)備進(jìn)行周期性維護(hù)和檢查，以保證儀器功能。在進(jìn)行現(xiàn)場檢測之前，應(yīng)在實驗室內(nèi)選擇相應(yīng)規(guī)格的校準(zhǔn)試塊對檢測儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，若檢測結(jié)果與之前保持一致或在允許誤差范圍內(nèi)，則表明儀器正常。在現(xiàn)場進(jìn)行檢測時，如懷疑設(shè)備的檢測結(jié)果，應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行功能檢查和調(diào)整，并對每次維護(hù)檢查的結(jié)果進(jìn)行記錄。系統(tǒng)調(diào)試檢測系統(tǒng)（探頭、導(dǎo)線、儀器及

27、輔助裝置）每次實施檢測前都要進(jìn)行調(diào)試校準(zhǔn)，以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次校準(zhǔn)均應(yīng)記錄。采用8.4.2規(guī)定的校準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，如有必要，調(diào)試校準(zhǔn)需在與被檢材料溫度相同的試塊上進(jìn)行。系統(tǒng)復(fù)核在如下情況時，應(yīng)對非線性超聲體波二次諧波檢測設(shè)備進(jìn)行復(fù)核：每次檢測開始前和結(jié)束后；兩班工作的間隔期內(nèi)；探頭或?qū)Ь€更換時；檢測材料類型改變時；懷疑檢測設(shè)備工作不正常時；合同各方有爭議或認(rèn)為有必要時。若復(fù)核讀數(shù)偏差超過儀器允許誤差，則對檢測開始或上次復(fù)核以來的全部測量數(shù)據(jù)予以復(fù)測。檢測程序檢測前的準(zhǔn)備資料審查資料審查應(yīng)包括下列內(nèi)容：被檢構(gòu)件制造文件資料：產(chǎn)品合格證、質(zhì)量證明文件、竣工圖等，重點了解其類型、結(jié)構(gòu)特征和材

28、質(zhì)特性等；被檢構(gòu)件運行記錄資料：運行參數(shù)、工作環(huán)境、載荷變化情況以及運行中出現(xiàn)的異常情況等；被檢構(gòu)件檢驗資料：歷次檢驗與檢測報告；被檢構(gòu)件其它資料：維護(hù)、保養(yǎng)、修理和改造的文件資料等?，F(xiàn)場勘查與檢測條件確認(rèn)對于在役設(shè)備的檢測，應(yīng)對被檢構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場勘查，找出并設(shè)法排除可能影響檢測結(jié)果的因素。同時，對被檢構(gòu)件進(jìn)行定位標(biāo)識;確認(rèn)操作工況，包括操作空間、作業(yè)環(huán)境、是否易燃易爆。易燃易爆場合作業(yè)需采用具有防爆能力的檢測設(shè)備器材，同時檢測電壓盡量低。在確認(rèn)檢測操作過程有足夠的防爆性能力后，再實施檢測;確認(rèn)檢測對象狀況，如溫度、表面狀況等。被檢構(gòu)件表面應(yīng)無影響檢測的障礙物和干擾檢測的異物，如有影響檢測的表面

29、異物等必須清除，以保證檢測正常進(jìn)行;確認(rèn)檢測對象所處環(huán)境是否有強(qiáng)電磁干擾，如高壓變電站、伺服電機(jī)變頻驅(qū)動器等；確認(rèn)是否有影響人員安全的因素。檢測方式確定 根據(jù)檢測的目的和被檢構(gòu)件材料的形狀和尺寸，確定檢測方式和檢測方法。 檢測方式一般包括如下：采用接觸或者固定提離的非接觸檢測的方式；手動檢測或自動檢測； 傳感器按如下情形進(jìn)行選擇：平整表面一般選擇平面式超聲換能器；弧形表面、不規(guī)則表面可根據(jù)超聲波傳播方向與角度需求選擇曲面超聲換能器；操作指導(dǎo)書或工藝卡的編制對于每個檢測工程或每類被檢構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)使用的儀器和現(xiàn)場實際情況，按照通用檢測工藝規(guī)程來編制操作指導(dǎo)書或工藝卡，確定檢測要求。檢測部位應(yīng)避免內(nèi)

30、部或外部附件的影響，同時對每個被檢構(gòu)件進(jìn)行測繪，畫出被檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖。儀器調(diào)試以非線性超聲縱波二次諧波檢測為例，儀器調(diào)試方法如下：儀器設(shè)置恢復(fù)為默認(rèn)設(shè)置；根據(jù)試件中傳播的縱波波長確定激勵頻率，所選激勵頻率及脈沖信號長度應(yīng)使超聲在試件中傳播時的縱波波包長度小于被測部位厚度。調(diào)整激勵電壓，在標(biāo)定試塊中可以發(fā)現(xiàn)清晰的二次諧波信號。隨著激勵電壓的增大，在基頻波波形不飽和失真的前提下，二次諧波幅度線性增加。觀察接收信號頻譜，觀察是否存在強(qiáng)干擾頻段信號。若干擾信號頻段處于傳感器頻段范圍內(nèi)，更換其他工作頻段的傳感器；反之，設(shè)置濾波器截止頻率，濾掉干擾信號；保存儀器參數(shù)，在實驗室標(biāo)定和實際現(xiàn)場檢測時應(yīng)使用此

31、設(shè)置及傳感器和儀器。標(biāo)定和檢測標(biāo)定的目的是建立被檢物理量與非線性超聲縱波二次諧波的關(guān)系，標(biāo)定數(shù)據(jù)可為標(biāo)定曲線或篩選曲線。標(biāo)定數(shù)據(jù)視具體被檢物理量而定。如采用非線性超聲縱波二次諧波測量疲勞損傷，標(biāo)定時可在實驗室通過拉伸機(jī)將試件進(jìn)行不同次數(shù)的疲勞拉伸或擠壓，多次測量非線性超聲縱波基波和二次諧波的頻譜幅值，建立起拉壓疲勞損傷-歸一化非線性超聲參量曲線。再如測量材料性能退化時，可通過其他方法事先區(qū)分和獲取大量性能未退化/性能退化部件，通過測量這些性能未退化/性能退化部件的非線性超聲縱波二次諧波信號的不同,建立區(qū)分性能未退化/性能退化的信號閾值，檢測時通過此閾值判斷部件是否性能退化。標(biāo)定的操作步驟如下：

32、標(biāo)定前須對儀器進(jìn)行校準(zhǔn);將儀器參數(shù)調(diào)整至調(diào)試后確定的參數(shù)；記錄歸一化非線性超聲參量與目標(biāo)測量值的對應(yīng)關(guān)系，制作標(biāo)定曲線；預(yù)處理被測部位表面要求為：工件表面需平整光潔，不得有覆蓋物、毛刺等。被測部位表面處理方法，覆蓋物的清理不得使用角磨機(jī)打磨等強(qiáng)力去除材料的方法，需使用無應(yīng)力去除方法，包括酸洗、溶解等。檢測手動點檢測時一般采用接觸式檢測，保證發(fā)射和接收端探頭與待測試樣的接觸壓力保持合適的水平；兩端探頭放置在待測試樣兩端時保證中心對齊；超聲激勵過程中傳感器不應(yīng)出現(xiàn)振動。獲取檢測信號并保存記錄原始檢測信號。檢測時一般參數(shù)的推薦設(shè)置：對于一般的金屬材料，激勵電壓一般在200v左右；為減少發(fā)射和接收其他

33、頻率的信號的影響，在發(fā)射端可用與激勵信號頻率一致的低通濾波器，在接收端用兩倍于激勵信號頻率的高通濾波器。 檢測結(jié)果的評價與處理根據(jù)所建立的標(biāo)定曲線對檢測結(jié)果進(jìn)行評價及檢測結(jié)果分級評定，按相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量控制和檢驗要求進(jìn)行處理。檢測記錄與報告檢測記錄應(yīng)按檢測工藝規(guī)程的要求記錄檢測數(shù)據(jù)和有關(guān)信息，除此之外，還應(yīng)至少包括檢測報告中的內(nèi)容；所有記錄的保存應(yīng)符合有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和（或）合同的要求。檢測報告檢測報告應(yīng)至少包括如下內(nèi)容：委托單位、報告編號；檢測單位；被檢工件（設(shè)備）規(guī)格、幾何尺寸、盛裝介質(zhì)及使用年限、材料牌號、公稱厚度、表面狀態(tài)；檢測時工件表面處理方法及處理后表面狀態(tài)；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、參考標(biāo)準(zhǔn)；檢測儀器

34、名稱、型號、掃描模式；標(biāo)準(zhǔn)和對比試塊的校準(zhǔn)結(jié)果；儀器檢測狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置值；用圖示標(biāo)明檢測部位；檢測設(shè)置文件名稱及數(shù)據(jù)文件名稱；用草圖、標(biāo)記或照相描述并定位超出驗收標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果位置示意圖；驗收準(zhǔn)則及檢測結(jié)論；m) 檢測日期、檢測人員和審核人簽字及資質(zhì)。附錄 A（資料性）非線性超聲二次諧波檢測應(yīng)用示例A.1 Q460合金鋼285MPa/1000萬周疲勞損傷試樣測量示例圖A.1中所示為非線性超聲縱波對Q460合金鋼285MPa/1000萬周損傷試樣不同位置進(jìn)行測量分析的結(jié)果，依次為非線性超聲縱波基頻幅值、二次諧波幅值和非線性超聲參量在試樣不同測量點的變化情況。材料損傷主要在試樣平行段，非線性超聲參量顯

35、著增大，其中測量點6附近損傷最大。非線性超聲信號對疲勞損傷狀態(tài)敏感，可以有效檢測材料早期疲勞損傷及部位。 圖A.1 非線性超聲縱波測量Q460合金鋼285MPa/1000萬周疲勞損傷試樣示意圖附錄 B（資料性）起草單位和主要起草人本文件起草單位：華東理工大學(xué)、中國特種設(shè)備檢測研究院、廈門大學(xué)、重慶大學(xué)。本文件主要起草人：項延訓(xùn)、軒福貞、鄭陽、李衛(wèi)彬、劉立帥、鄧明晰、朱武軍。參 考 文 獻(xiàn)1 張劍鋒,軒福貞,項延訓(xùn).材料損傷的非線性超聲評價研究進(jìn)展J. 科學(xué)通報, 2016, 61(14):1536.2 侯甜甜,軒福貞,項延訓(xùn).非線性超聲技術(shù)表征金屬和有機(jī)材料塑性損傷的對比試驗研究J.壓力容器,

36、2016,33(03):9-15.3 項延訓(xùn).高溫構(gòu)件早期損傷的非線性超聲導(dǎo)波評價方法研究D.華東理工大學(xué),2011. 4 葉有俊, 朱武軍, 王一寧, 項延訓(xùn). 鈦合金蠕變損傷的非線性Lamb波檢測 J. 聲學(xué)技術(shù), 2016, 35(4): 345-348.5 趙珊珊, 鄧明晰, 項延訓(xùn), 軒福貞.超聲Lamb波二次諧波發(fā)生效率分析與模式選擇J. 聲學(xué)學(xué)報, 2017, 03(v.42):36-42.6 鄧明晰.一種定征復(fù)合板材粘接層性質(zhì)的非線性超聲蘭姆波方法J. 聲學(xué)學(xué)報, 2005(06):542-551.7 李衛(wèi)彬,秦曉旭.優(yōu)化鎳基高溫合金X-750熱處理工藝參數(shù)的非線性超聲無損評估

37、方法J. 航空學(xué)報, 2015, 36(11):3742-3750.8 劉瑤璐,胡寧,鄧明晰,等. 板殼結(jié)構(gòu)中的非線性蘭姆波J. 力學(xué)進(jìn)展, 2017(00):507-537.9 吳斌,顏丙生,李佳銳,何存富.鎂合金疲勞早期非線性超聲在線檢測實驗研究J. 聲學(xué)學(xué)報, 2011(05):527-533.10 谷濤,王強(qiáng),胡斌, HYPERLINK /s?wd=author%3A%28%E8%B5%B5%E6%BD%87%E7%94%B7%29%20&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8&sc_f_para=sc_hilight%3Dperson t _blank

38、 趙瀟男, HYPERLINK /s?wd=author%3A%28%E6%A2%81%E6%99%93%E7%91%9C%29%20&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8&sc_f_para=sc_hilight%3Dperson t _blank 梁曉瑜.P91鋼蠕變損傷的非線性超聲檢測方法研究J. 機(jī)械工程學(xué)報, 2018, 054(024):34-41.11 Xiang Y , Zhu W , Liu C J , et al. Creep degradation characterization of titanium alloy using nonl

39、inear ultrasonic techniqueJ. Ndt & E International, 2015, 72(jun.):41-49. 12 Xiang Y, Zhu W, Deng M, Xuan F, Liu C. Generation of cumulative second-harmonic ultrasonic guided waves with group velocity mismatching Numerical analysis and experimental validation J. EPL (Europhysics Letters), 2016, 116:

40、34001.13 Zhu W, Xiang Y, Liu C, Deng M, Xuan F. Symmetry properties of second harmonics generated by antisymmetric Lamb waves J. Journal of Applied Physics, 2018, 123(10): 104902.14 Zhu W , Xiang Y , Liu C J , et al. A feasibility study on fatigue damage evaluation using nonlinear Lamb waves with gr

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42、cond-harmonic generation of Lamb waves propagating in layered planar structures with imperfect interfacesJ. Applied Physics Letters, 2006, 88(22):13.17 Deng M , Pei J . Assessment of accumulated fatigue damage in solid plates using nonlinear Lamb wave approachJ. Applied Physics Letters, 2007, 90(12)

43、:273-277.18 Li W , Cho Y , Achenbach J D . Detection of thermal fatigue in composites by second harmonic Lamb wavesJ. Smart Material Structures, 2012, 21(8):85-93.19 Matlack KH, Kim J, Jacobs LJ, et al. Review of Second Harmonic Generation Measurement Techniques for Material State Determination in M

44、etalsJ. Journal of Nondestructive Evaluation, 2015, 34:273.20 Jhang K. Nonlinear ultrasonic techniques for nondestructive assessment of micro damage in material: A reviewJ. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2009, 10:123-135.21 Shah AA, Ribakov Y. Non-linear ultrasonic

45、 evaluation of damaged concrete based on higher order harmonic generationJ. Materials & Design, 2009, 10(30):4095-4102.22 Kim CS, Park IK, J hang KY. Nonlinear ultrasonic characterization of thermal degradation in ferritic 2.25Cr1Mo steelJ. NDT & E International, 2009, 3(42):204-209.23 Demcenko A, A

46、kkerman R, Nagy P, Loendersloot R, Non-collinear wave mixing for nonlinear ultrasonic detection of physical ageing in PVC J, Ultrasonics, 2012, 49:34-39.24 Ju T, Achenbach, J D, Jacobs, L J, Qu, J, Nondestructive evaluation of thermal aging of adhesive joints by using a nonlinear wave mixing techniq

47、ue J, NDT&E International, 2019, 103, 62-67.25 Cho H, Hasanian, M, Shan S, Lissenden C J, Nonlinear guided wave technique for localized damage detection in plates with surface-bonded sensors to receive Lamb waves generated by shear-horizontal wave mixing J, NDT&E International, 2019, 102, 35-46.26 Nagy PB .Fatigue damage assessment by nonlinear ultrasonic materials characterizationJ. Ultrasonics, 1998, 36(1-5):375-381.27 Herrmann J ,