内容简介
《高温合金损伤超声非线性评估》针对航空发动机镍基高温合金材料，系统地开展了其多种服役损伤的超声非线性评估研究。《高温合金损伤超声非线性评估》共10章，主要涉及超声非线性理论、超声检测系统及方法，以及镍基高温合金静力加载塑性损伤、高温热暴露损伤、疲劳损伤、蠕变损伤、微裂纹、含随机分布微裂纹构件和疲劳裂纹扩展的超声非线性评估问题，同时揭示了镍基高温合金的多种服役损伤机理及相应的超声非线性响应机理。
精彩书摘
第1章绪论
1.1引言
航空发动机热端部件服役过程中，在高温高压等极端恶劣的环境下承受离心力、热应力、气流激振力等载荷的循环作用，极易发生疲劳、蠕变等塑性变形现象，导致材料损伤、性能退化，严重威胁航空发动机的安全运行。在材料损伤过程中，其内部微结构会逐渐产生变化，*先是晶格变形以及位错增殖和移动、滑移带的形成，这是早期力学性能退化的表现，其次是微裂纹和孔洞的萌生，之后微裂纹扩展和聚集形成宏观裂纹，*终导致构件断裂失效。材料的寿命可以总结为早期性能退化、损伤起始与积累以及*终断裂失效三个阶段，其中前两个阶段可能占据整个寿命的80%～90%[1]。当材料中出现宏观裂纹时，其承载能力已经被极大地削弱，构件可能即将失效。此时，已经错过了*佳维护时期，因此材料早期性能退化及服役损伤检测和评估对工程构件的安全可靠运行与剩余寿命评估有非常重要的意义。
为了准确了解材料的完整性，预测其剩余寿命，需要对服役过程中材料的微观组织退化情况及其力学性能进行检测和分析。常用的检测包括有损检测和无损检测。有损检测是指从服役工程构件上取一定尺寸大小的样品进行微观组织结构观察或者力学测试以获得相关的组织结构和力学参量，并以这些参量为依据进行损伤评估和寿命预测[2]。例如，扫描电子显微镜(SEM，简称扫描电镜)和透射电子显微镜(TEM，简称透射电镜)微观组织结构观察都属于有损检测。有损检测能够在一定程度上对材料的损伤状态进行评估，但是在不损坏服役构件的情况下收集样本进行分析实际上是不可能的。因此，有损检测*大的缺点在于取样会破坏工程构件的完整性，尤其是对于航空发动机涡轮叶片这种在恶劣环境下工作且造价昂贵的构件来说，取样检测意味着构件可能会失去使用价值，成本太高。另外，有损检测取样一般情况下局限于工程构件表层的局部范围，很难代表构件的整体损伤情况。基于此，无损检测必不可少，它能够在不损害构件结构完整性的情况下获得其内部损伤。近年来基于无损检测的材料损伤评估技术受到国内外学者的广泛关注。
超声无损检测作为五大常规无损检测技术之一，有着检测范围广、灵敏度高、使用方便等突出优点，被广泛地应用于各种材料内部裂纹和缺陷的检测与定位。
同时由于纵波声速、声衰减系数等参数与材料的弹性常数息息相关，因此也被用于对材料的晶粒尺寸、残余应力、抗压强度等的检测和评估[3]。学者们发现材料在承载过程中位错和析出相的演化以及微裂纹的萌生和扩展等都会引发超声波的非线性效应，超声非线性检测能够对材料非常早期的微观组织结构损伤做出响应[4，5]。目前，超声非线性相关理论以及多种材料的拉伸、热暴露、疲劳、蠕变等损伤的超声非线性检测评估方面都有了很大的研究进展[6-8]，但是对于航空发动机涡轮叶片镍基高温合金材料在多种服役损伤下的超声非线性检测技术和相应的损伤机理及超声非线性响应机理的研究相对较少。
本书在广泛收集国内外超声非线性损伤评估的相关文献的基础上，从力学、声学和材料学的角度出发，以航空发动机涡轮叶片材料镍基高温合金为对象，研究超声非线性现象的基本原理及声波与微观组织结构相互作用的相关理论，构建专用超声线性和非线性检测系统，采用SEM、TEM、X射线衍射(XRD)等多种手段观测并定量分析镍基高温合金在拉伸、高温热暴露、疲劳和蠕变等多种载荷状态下的微观组织结构演变，研究材料的力学行为，揭示其损伤失效机理，采用超声线性和非线性手段对镍基高温合金的多种服役损伤进行检测评估并从细微观组织结构演化的角度定量揭示其超声非线性响应机理。
1.2镍基高温合金损伤
航空发动机的性能直接决定着飞机的各项性能指标，是发展民用航空以及国防空军力量必须要突破的技术难题，是一个国家科技、工业水平以及国防实力的重要标志。航空航天工业的发展对发动机推力和推重比提出更高的要求，这是建立在进气口温度不断提高的基础上的，涡轮进气口温度每提高55℃，发动机效率能够提高10%左右。国内外发动机的发展历程如图1.1所示，从中可以看到推重比和涡轮进气口温度的提高。进气口温度的提高使得航空发动机涡轮叶片和其他热端部件需要在高温高压的条件下承受较大的离心力和热应力，其材料的性质决定了发动机的整机性能，这就要求材料具有更加优越的高温力学性能，因此高温合金材料的研制和生产水平成为一个国家金属材料发展水平的重要标志之一。镍基高温合金具有出色的高温强度、组织稳定性、抗氧化腐蚀能力和优异的疲劳蠕变性能，被广泛地应用于航空发动机涡轮叶片和其他热端部件的制造。
常用的镍基高温合金按照成型工艺可以分为变形镍基高温合金、铸造镍基高温合金和粉末镍基高温合金。随着熔模铸造技术、真空熔炼与浇筑技术、定向凝固技术等先进铸造技术的不断发展，铸造镍基高温合金经历了从等轴晶高温合金到定向凝固高温合金再到镍基单晶高温合金的发展历程，其承温能力得到
目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 镍基高温合金损伤 2
1.3 无损检测评估技术 6
1.4 超声非线性无损检测 9
1.5 本章小结 15
第2章 超声非线性理论 16
2.1 引言 16
2.2 **声非线性理论 17
2.2.1 非线弹性超声波动方程及求解 17
2.2.2 超声非线性位错模型 21
2.2.3 超声非线性位错-析出相模型 28
2.3 接触声非线性理论 31
2.3.1 微裂纹的超声非线性表征机理 31
2.3.2 微裂纹弹性接触模型 32
2.3.3 微裂纹非线性弹簧模型 33
2.4 本章小结 34
第3章 超声检测系统及方法 36
3.1 引言 36
3.2 超声检测系统 37
3.2.1 RITEC 高能声学检测系统 37
3.2.2 检测波形 41
3.2.3 压电超声换能器和耦合剂 44
3.3 超声线性检测系统及方法 46
3.4 超声非线性检测系统及方法 49
3.5 本章小结 51
第4章 静力加载塑性损伤超声非线性评估 52
4.1 引言 52
4.2 静力加载塑性损伤及超声检测试验 53
4.3 静力加载塑性损伤超声检测结果分析 56
4.3.1 静力加载塑性损伤超声线性检测结果分析 56
4.3.2 静力加载塑性损伤超声非线性检测结果分析 57
4.4 静力加载塑性损伤微观组织结构演化和宏观力学性能变化 59
4.4.1 静力加载塑性损伤微观组织结构演化 60
4.4.2 静力加载塑性损伤宏观力学性能变化 63
4.5 镍基单晶合金常温塑性变形机理和超声非线性响应机理 64
4.5.1 镍基单晶合金常温塑性变形机理 64
4.5.2 静力加载塑性损伤引发超声非线性响应机理 67
4.6 本章小结 71
第5章 高温热暴露损伤超声非线性评估 73
5.1 引言 73
5.2 高温热暴露损伤及超声检测试验 74
5.3 高温热暴露损伤超声检测结果分析 76
5.3.1 高温热暴露损伤超声线性检测结果分析 76
5.3.2 高温热暴露损伤超声非线性检测结果分析 77
5.4 高温热暴露损伤微观组织结构演化和宏观力学性能退化表征 79
5.4.1 高温热暴露损伤材料微观组织结构演化 79
5.4.2 高温热暴露损伤材料宏观力学性能退化 83
5.5 高温热暴露损伤引发超声非线性响应机理 84
5.6 本章小结 89
第6章 疲劳损伤超声非线性评估 91
6.1 引言 91
6.2 疲劳损伤及超声检测试验 92
6.3 镍基高温合金低周疲劳损伤超声评估 95
6.3.1 低周疲劳加载下的循环变形行为和断口分析 95
6.3.2 低周疲劳损伤的超声线性和非线性检测结果及分析 97
6.4 镍基高温合金高周疲劳损伤超声评估 100
6.4.1 高周疲劳加载下的循环变形行为和断口分析 100
6.4.2 高周疲劳损伤的超声线性和非线性检测结果及分析 102
6.5 本章小结 104
第7章 蠕变损伤超声非线性评估 106
7.1 引言 106
7.2 高温蠕变损伤和超声检测试验 107
7.3 蠕变损伤超声检测结果分析 109
7.3.1 蠕变损伤超声线性检测结果分析 109
7.3.2 蠕变损伤超声非线性检测结果分析 111
7.4 蠕变损伤微观组织结构演化 111
7.4.1 ？ｙ/？ｙ′相微观组织结构演化 112
7.4.2 位错组织结构演化 115
7.5 镍基单晶合金蠕变行为和超声非线性响应机理 119
7.5.1 镍基单晶合金在980℃/360MPa下的蠕变行为 119
7.5.2 蠕变损伤引发超声非线性响应机理 120
7.6 本章小结 122
第8章 微裂纹超声非线性评估 124
8.1 引言 124
8.2 试验材料与含微裂纹试样制备 125
8.3 微裂纹超声非线性有限元模型建立 126
8.3.1 激励信号 126
8.3.2 网格划分 127
8.3.3 时间步长 127
8.3.4 边界条件 128
8.3.5 有限元模型的有效性 131
8.4 微裂纹超声非线性有限元仿真 132
8.5 微裂纹超声非线性试验结果 135
8.6 本章小结 137
第9章 含随机分布微裂纹构件超声非线性评估 138
9.1 引言 138
9.2 微裂纹角度对超声非线性响应的影响 139
9.3 微裂纹分布对超声非线性响应的影响 140
9.4 微裂纹密度对超声非线性响应的影响 144
9.5 本章小结 146
第10章 疲劳裂纹扩展的超声非线性评估 148
10.1 引言 148
10.2 疲劳裂纹扩展试验 149
10.2.1 试验材料及试样制备 149
10.2.2 试验过程及结果分析 149
10.3 疲劳裂纹扩展超声线性检测 151
10.3.1 疲劳裂纹扩展超声线性检测方法 151
10.3.2 疲劳裂纹扩展超声线性检测结果及分析 152
10.4 疲劳裂纹扩展超声非线性评估 153
10.4.1 疲劳裂纹扩展表面波超声非线性检测 153
10.4.2 疲劳裂纹扩展纵波超
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第1章绪论
1.1引言
航空发动机热端部件服役过程中，在高温高压等极端恶劣的环境下承受离心力、热应力、气流激振力等载荷的循环作用，极易发生疲劳、蠕变等塑性变形现象，导致材料损伤、性能退化，严重威胁航空发动机的安全运行。在材料损伤过程中，其内部微结构会逐渐产生变化，*先是晶格变形以及位错增殖和移动、滑移带的形成，这是早期力学性能退化的表现，其次是微裂纹和孔洞的萌生，之后微裂纹扩展和聚集形成宏观裂纹，*终导致构件断裂失效。材料的寿命可以总结为早期性能退化、损伤起始与积累以及*终断裂失效三个阶段，其中前两个阶段可能占据整个寿命的80%～90%[1]。当材料中出现宏观裂纹时，其承载能力已经被极大地削弱，构件可能即将失效。此时，已经错过了*佳维护时期，因此材料早期性能退化及服役损伤检测和评估对工程构件的安全可靠运行与剩余寿命评估有非常重要的意义。
为了准确了解材料的完整性，预测其剩余寿命，需要对服役过程中材料的微观组织退化情况及其力学性能进行检测和分析。常用的检测包括有损检测和无损检测。有损检测是指从服役工程构件上取一定尺寸大小的样品进行微观组织结构观察或者力学测试以获得相关的组织结构和力学参量，并以这些参量为依据进行损伤评估和寿命预测[2]。例如，扫描电子显微镜(SEM，简称扫描电镜)和透射电子显微镜(TEM，简称透射电镜)微观组织结构观察都属于有损检测。有损检测能够在一定程度上对材料的损伤状态进行评估，但是在不损坏服役构件的情况下收集样本进行分析实际上是不可能的。因此，有损检测*大的缺点在于取样会破坏工程构件的完整性，尤其是对于航空发动机涡轮叶片这种在恶劣环境下工作且造价昂贵的构件来说，取样检测意味着构件可能会失去使用价值，成本太高。另外，有损检测取样一般情况下局限于工程构件表层的局部范围，很难代表构件的整体损伤情况。基于此，无损检测必不可少，它能够在不损害构件结构完整性的情况下获得其内部损伤。近年来基于无损检测的材料损伤评估技术受到国内外学者的广泛关注。
超声无损检测作为五大常规无损检测技术之一，有着检测范围广、灵敏度高、使用方便等突出优点，被广泛地应用于各种材料内部裂纹和缺陷的检测与定位。
同时由于纵波声速、声衰减系数等参数与材料的弹性常数息息相关，因此也被用于对材料的晶粒尺寸、残余应力、抗压强度等的检测和评估[3]。学者们发现材料在承载过程中位错和析出相的演化以及微裂纹的萌生和扩展等都会引发超声波的非线性效应，超声非线性检测能够对材料非常早期的微观组织结构损伤做出响应[4，5]。目前，超声非线性相关理论以及多种材料的拉伸、热暴露、疲劳、蠕变等损伤的超声非线性检测评估方面都有了很大的研究进展[6-8]，但是对于航空发动机涡轮叶片镍基高温合金材料在多种服役损伤下的超声非线性检测技术和相应的损伤机理及超声非线性响应机理的研究相对较少。
本书在广泛收集国内外超声非线性损伤评估的相关文献的基础上，从力学、声学和材料学的角度出发，以航空发动机涡轮叶片材料镍基高温合金为对象，研究超声非线性现象的基本原理及声波与微观组织结构相互作用的相关理论，构建专用超声线性和非线性检测系统，采用SEM、TEM、X射线衍射(XRD)等多种手段观测并定量分析镍基高温合金在拉伸、高温热暴露、疲劳和蠕变等多种载荷状态下的微观组织结构演变，研究材料的力学行为，揭示其损伤失效机理，采用超声线性和非线性手段对镍基高温合金的多种服役损伤进行检测评估并从细微观组织结构演化的角度定量揭示其超声非线性响应机理。
1.2镍基高温合金损伤
航空发动机的性能直接决定着飞机的各项性能指标，是发展民用航空以及国防空军力量必须要突破的技术难题，是一个国家科技、工业水平以及国防实力的重要标志。航空航天工业的发展对发动机推力和推重比提出更高的要求，这是建立在进气口温度不断提高的基础上的，涡轮进气口温度每提高55℃，发动机效率能够提高10%左右。国内外发动机的发展历程如图1.1所示，从中可以看到推重比和涡轮进气口温度的提高。进气口温度的提高使得航空发动机涡轮叶片和其他热端部件需要在高温高压的条件下承受较大的离心力和热应力，其材料的性质决定了发动机的整机性能，这就要求材料具有更加优越的高温力学性能，因此高温合金材料的研制和生产水平成为一个国家金属材料发展水平的重要标志之一。镍基高温合金具有出色的高温强度、组织稳定性、抗氧化腐蚀能力和优异的疲劳蠕变性能，被广泛地应用于航空发动机涡轮叶片和其他热端部件的制造。
常用的镍基高温合金按照成型工艺可以分为变形镍基高温合金、铸造镍基高温合金和粉末镍基高温合金。随着熔模铸造技术、真空熔炼与浇筑技术、定向凝固技术等先进铸造技术的不断发展，铸造镍基高温合金经历了从等轴晶高温合金到定向凝固高温合金再到镍基单晶高温合金的发展历程，其承温能力得到
