上海千实解读CSTM标准《无损检测 非线性超声检测》
上海千实精密机电科技有限公司：由中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及设备领域委员会(CSTM/FC94)归口承担的《无损检测非线性超声检测》团体标准已完成征求意见稿，按照《中关村材料试验技术联盟团体标准管理办法》的有关规定，现公开广泛征求意见。
航空、化工、核能、电力等重大装备服役条件呈极端化趋势：高温、高压、重载、长周期，非线性超声检测技术能够表征材料在服役早期的材料性能变化和微损伤积累过程，可以弥补传统无损检测技术对于微小损伤灵敏度不足的缺点，提高服役设备的安全性和可靠性。但非线性检测技术操作复杂，专业性高，易发生由于检测方法不合理或操作流程不规范而影响结果可靠性和一致性。对于测量过程中参数设置和操作方法国内外尚无统一规定。急需统一非线性超声检测实施原则，有助于该技术更为合理地应用，确保检测质量的可靠性。
本文件参照GB/T 1.1—2020 《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》，GB/T 20001.4《标准编写规则 第4部分：试验方法标准》给出的规则起草。参考GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证；GB/T 12604.1 无损检测术语 超声检测规程编制。
本文件规定了非线性超声检测工艺规程的一般原则。本文件适用于固体金属/复合材料结构。本文件为一般工程材料的非线性超声检测标准或检测工艺规程的制定提供指导。
方法概要：
有限振幅超声波在固体介质中传播时，与固体介质之间产生非线性相互作用，产生非线性信号。这些非线性效应与固体介质的微观组织结构密切相关，一部分源于固体介质中晶格的非谐性,另一部分源于晶体内部的缺陷,如位错、析出相、微孔洞等微结构。非线性超声检测方法通过测量非线性信号获得介质内部的微组织变化状态，实现对介质材料性能的评估和微小缺陷的检测。
非线性超声检测可以利用压电式超声换能器和耦合剂，以接触的方式激励和接收超声基频超声波以及产生的非线性信号；也可以使用激光/激光干涉仪、电磁超声换能器、空器耦合超声换能器，以非接触的方式激励和接收超声基频超声波以及产生的非线性信号。接触方式的测量信号稳定、抗干扰能力强，推荐非线性超声检测采用接触方式测量。
非线性超声二次谐波检测方法的优点如下：
a)基于有限振幅法的非线性超声二次谐波检测较为简便，技术较为成熟，目前应用多。b)可有效分离初始基频波信号和二次谐波信号，进而区分非线性来源；c)可利用单个换能器激励，利用阵列传感器扫查接收非线性超声体波二次谐波散射信号，实现对内部微裂纹的定位检测。
非线性超声二次谐波检测方法的局限性如下：
a)对激励信号的能量有较高的要求，采集分析信号时需要前期滤波处理。b)采用接触法测量时，接触端接触状态的稳定对非线性超声表面波信号测量的可靠性和稳定性有影响。非线性超声导波的复杂性(如频散、多模态等)和单一导波模态的可激励性差。
疲劳损伤检测和评价：
工程材料在一定的循环载荷作用下，会由于材料内部产生晶格位错和微裂纹等导致材料形成疲劳损伤。非线性超声二次谐波信号的产生对于这类由疲劳损伤引起的材料微观结构变化较为敏感，可通过归一化非线性超声参量来评估材料是否产生疲劳损伤，或评价材料疲劳损伤的程度。
塑性损伤检测和评价：
材料在承受过度的拉伸或压缩等相似类型的载荷后，会由于受载过程超过材料弹性极限而引发塑性损伤。非线性超声纵波二次谐波信号的产生强度与某些材料发生塑性损伤的程度有一定的相关关系，可通过归一化非线性超声参量来评估材料是否产生塑性损伤，或评价材料发生塑性损伤的程度。
热损伤检测和评价：
材料在无应力或较低应力状态下由于温度作用导致的材料性能退化一般称为热损伤。材料发生热损伤后，其中的固溶原子、析出物及位错等会在超声纵波传播时引发声非线性响应。激励合适的超声波进入相应的试件中，测量该超声纵波所引发的二次谐波和基波幅值，可通过归一化非线性超声参量来评估对材料的热损伤。
蠕变损伤检测和评价：
蠕变是指材料在应力不变的情况下，应变随时间延长而增加的现象。对于在高温下服役的工程结构，蠕变损伤往往是其失效的主要机制。非线性超声二次谐波的产生对于材料的早期蠕变较为敏感，可通过归一化非线性超声参量获得某些材料发生蠕变损伤的相关信息，进而实现材料剩余寿命的评估等等。
辐照损伤检测和评价：
在核辐射环境中长期服役的各类压力容器和工程构件可能会产生辐照损伤，不同的辐照温度、中子辐射量引起的材料辐照损伤变化会有所不同。含有辐照损伤的材料的内部微观结构一般与不含辐照损伤的同种材料有较大区别，其在超声传播中所能引起的声非线性响应也会有所不同。使用归一化非线性超声参量对此类材料进行表征，可较敏感地反映出材料受辐照损伤的程度，进而对材料寿命进行评估。
黏接界面检测和评价：
有些工程结构材料由多个工件通过特定工艺处理黏接而形成，其黏接界面可能会在服役过程中产生微裂纹等缺陷，进而影响整体结构的使用寿命。黏结界面中容易出现的微孔洞、裂纹等往往会导致超声波的传播产生非线性效应，从而导致强烈的非线性超声二次谐波的生成。通过对超声波在黏结界面中传播时产生非线性超声二次谐波信号的测量，可检测和评估该黏结界面的缺陷，使用归一化非线性超声参量评估其性能退化程度。
腐蚀损伤检测和评价：
一些金属材料在服役过程中容易受到外界环境的影响而产生腐蚀损伤。腐蚀损伤的产生可以看作是一种电化学过程，在金属材料的晶内与晶界之间形成微小的原电池，由于存在电势差，晶界优先腐蚀，晶界与晶粒的腐蚀程度不同，从而在材料表面乃至内部形成微小的腐蚀坑等。含腐蚀损伤的材料由于内部微观结构的不均匀性，会对超声波的传播产生非线性应，因此测量超声波在试件中传播时的基波和二次谐波幅值，使用归一化非线性超声参量可以对材料的腐蚀损伤进行检测和评价。
热处理工艺效果检测和评价：
根据超声传播的非线性响应不同，对材料的性能变化做出判断,并与线性超声检测技术的评估结果进行了对比。热处理工艺可改变金属材料内部微组织结构和晶粒尺寸，超声波与不同微组织结构相互作用会产生不同的非线性效应。经过热处理之后，材料性能显著提高，在其中传播的超声非线性效应则明显下降。材料经过热处理后性能提升越大，其声学非线性效应就会变得越小。根据超声波传播的非线性响应定性评估不同的热处理工艺，明确了优的热处理工艺参数，实现对材料的热处理效果进行无损评估，从而对热处理工艺参数进行优化与完善。
2023-03-10 00:00