| 标准编号 | GB/T 45380-2025 (GB/T45380-2025) | | 中文名称 | 无损检测 组织结构损伤非线性超声检测方法 | | 英文名称 | Non-destructive testing - Nonlinear ultrasonic testing method of microstructure damage | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | J04 | | 国际标准分类 | 19.100 | | 字数估计 | 18,148 | | 发布日期 | 2025-03-28 | | 实施日期 | 3/28/2025 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 45380-2025: 无损检测 组织结构损伤非线性超声检测方法
ICS 19.100
CCSJ04
中华人民共和国国家标准
无损检测 组织结构损伤非线性超声
检测方法
microstructuredamage
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
目次
前言 Ⅲ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 方法概要 2
5 检测系统 3
6 检测程序 6
7 检测记录与报告 9
前言
本文件按照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》的规定
起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由全国无损检测标准化技术委员会(SAC/TC56)提出并归口。
本文件起草单位:华东理工大学、上海材料研究所有限公司、重庆大学、上海市特种设备监督检验技
术研究院、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、江苏省特种设备安全监督检验研究院、国能锅炉压力
容器检验有限公司、武汉中科创新技术股份有限公司、中国特种设备检测研究院、华能国际电力股份有
限公司上海石洞口第二电厂。
本文件主要起草人:轩福贞、项延训、蒋建生、刘立帅、丁杰、邓明晰、肖飚、郑阳、谭云华、丁小平、
郝晓军、林光辉、陈小明、赵妍妍、李璇、谢晶。
无损检测 组织结构损伤非线性超声
检测方法
1 范围
本文件描述了对金属材料组织结构损伤进行非线性超声纵波二次谐波检测的通用方法。
本文件适用于厚度在10mm~300mm之间的金属材料疲劳、塑性、蠕变、辐照等组织结构损伤的
非线性超声检测。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文
件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于
本文件。
GB/T 12604.1 无损检测 术语 超声检测
GB/T 27664.2 无损检测 超声检测设备的性能与检验 第2部分:探头
GB/T 39432 无损检测 超声检测 阶梯试块
3 术语和定义
GB/T 12604.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
有限振幅超声波在介质中传播产生的与激发频率不同的超声波。
注:本文件规定的非线性超声波主要指超声纵波二次谐波。
3.2
在介质中传播时具有有限且较大振幅的超声波。
3.3
基波 fundamentalwave
中心频率为激发频率的超声波。
3.4
二次谐波 secondharmonicwave
中心频率为2倍激发频率的超声波。
3.5
组织结构损伤 microstructuredamage
金属材料在受到外部应力、应变、热、化学环境等作用下,显微尺度上的结构发生不可逆变化或局部
破坏的现象。
注:组织结构损伤包括位错滑移及增殖、析出相演化、局部相变、晶界粗化、微孔洞、微裂纹等。
3.6
二次谐波幅值与基波幅值平方的比值。
注:非线性超声参量的公式,见公式(1)。
β=
A2
A12
(1)
式中:
β ---非线性超声参量;
A1---基波幅值;
A2---二次谐波幅值。
3.7
R2
模型预测误差总和与数据对于其均值偏离总和的比例。
注:本文件的决定系数的数值范围为0~1。R2=1表示模型能完美拟合数据,所有数据点都在拟合直线上。R2=0
表示模型无法解释数据中的任何变化,模型的预测与数据没有相关性。决定系数的公式,见公式(2)。
R2 =1-∑
(yi-y^i)2
∑(yi-y)2
(2)
式中:
R2---决定系数;
yi---数据真实值;
y^i---模型预测值;
y ---数据的均值。
4 方法概要
非线性超声检测是一种基于材料中的非线性行为的无损检测技术。非线性超声检测通过捕捉材料
内部缺陷、损伤或应力引起的非线性效应,来提高检测灵敏度。材料在受到应力或疲劳等外界因素影响
时,其力学响应会表现出非线性行为,尤其在材料出现疲劳、塑性、蠕变等组织结构损伤时更加明显。非
线性超声检测正是通过超声波与这些非线性行为的相互作用,来探测材料内部的状态。
非线性超声检测的探头一般选取压电超声探头,探头应符合GB/T 27664.2中的技术要求。超声
探头布置方式主要分为同侧布置和对侧布置两种方式。同侧测量方式见图1a),对侧测量方式见图1
b)。同侧测量方式采用直探头和声楔块实现超声波的斜入射和接收。其中,发射探头一般选择窄带探
头,其中心频率接近基波的频率。接收探头通常选择宽带探头,-6dB带宽不低于50%,以覆盖基波和
二次谐波的频率范围。发射和接收声楔块的角度保持一致且小于第一临界角。固定发射探头的位置和
声楔块的角度,根据被测试样的厚度和反射折射定律计算底面回波的传播路径,确定接收探头的位置。
发射探头以一定角度激发有限振幅的基波,基波在试样中传播时与介质相互作用产生二次谐波,接收探
头接收试样下底面反射回的基波与二次谐波。根据接收到的基波与二次谐波信号幅值计算非线性超声
参量以表征组织结构损伤状态。
对侧测量方式直接采用直探头实现超声波的垂直入射和接收。其中,发射探头一般选择窄带探头,
其中心频率接近基波的频率。接收探头通常选择宽带探头,-6dB带宽不低于50%,以覆盖基波和二
次谐波的频率范围。接收探头的轴线应对齐发射探头的轴线。根据接收到的基波与二次谐波信号幅值
计算非线性超声参量以表征组织结构损伤状态。
a) 同侧测量
b) 对侧测量
标引序号说明:
1---发射探头;
2---声楔块;
3---接收探头;
4---发射声楔块的角度;
5---接收声楔块的角度;
6---被测试样;
7---被测试样的厚度。
图1 非线性超声检测原理图
5 检测系统
5.1 系统组成
典型的非线性超声检测系统包括信号发生器、功率放大器、发射探头、接收探头、信号采集器、计算
机等,见图2。此外还需要标准试块来校准仪器的参数设置。特定情况下还可配置阻抗匹配网络、衰减
器、低通滤波器、高通滤波器、增益放大器等辅助器件。
标引符号说明:
a---计算机;
b---信号发生器;
c---功率放大器;
d---发射探头;
e---接收探头;
f---信号采集器。
图2 非线性超声检测系统示意图
5.2 信号发生器
信号发生器用于产生指定频率和幅值可调的交变信号,一般为正弦波信号。激励频率一般在
200kHz~7MHz。信号发生器的带宽宜不低于20MHz,模拟输出分辨率不低于12bit,采样率不低于
100MS/s,以保证激励信号的质量。
5.3 功率放大器
功率放大器用于放大信号发生器所产生的信号,以驱动发射探头。为了激发有限振幅的基波,功率
放大器输出信号的电压峰-峰值一般在200V~500V之间。
5.4 信号采集器
信号采集器用于采集接收超声探头的电信号,并进行模数转换,将信号上传至计算机进行后处理。
信号采集器的带宽宜不低于50MHz,模数转换位数不低于12bit,采样率不低于1GS/s,以保证信号的
质量。
5.5 计算机
计算机用于控制整个检测系统各模块的工作,对基波和二次谐波信号进行信号处理及非线性超声
参量计算等。
5.6 超声探头
超声探头由发射探头和接收探头组成,探头应符合GB/T 27664.2中的技术要求。发射探头一般
选择窄带探头,其中心频率接近基波的频率。接收探头通常选择宽带探头,-6dB带宽不低于50%,以
覆盖基波和二次谐波的频率范围。超声探头与被测试样的之间涂抹耦合剂,保证检测过程中超声探头
与被测试样耦合的稳定性。
5.7 标准试块
标准试块用于对检测系统进行校准和复核。标准试块宜采用5阶梯~10阶梯试块,按GB/T 39432
的规定制作。10阶梯标准试块的一般要求见图3,具体参数见表1。在标准试块上通过对侧测量的方式可
获得不同传播距离的非线性超声参量。
图3 典型的10阶梯非线性超声检测标准试块
表1 典型的10阶梯非线性超声检测标准试块数据表
符号 尺寸/mm 公差/mm
T1 10.00 ±0.03
T2 20.00 ±0.03
T3 30.00 ±0.03
T4 40.00 ±0.03
T5 50.00 ±0.03
T6 60.00 ±0.03
T7 70.00 ±0.03
T8 80.00 ±0.03
T9 90.00 ±0.03
表1 典型的10阶梯非线性超声检测标准试块数据表 (续)
符号 尺寸/mm 公差/mm
T10 100.00 ±0.02
L 50.00 ±0.1
W 100.00 ±0.1
注:最终表面粗糙度:检测面的表面粗糙度Ra不大于0.8μm,非检测面的表面粗糙度Ra不大于1μm。
6 检测程序
6.1 工艺规程
从事非线性超声检测的单位应按本文件的要求制定检测工艺规程,其内容应至少包括但不限于以
下要素:
a) 工艺规程版本号;
b) 适用范围;
c) 引用本文件;
d) 检测设备和器材;
e) 检测工件信息及检测前的准备要求;
f) 损伤模式;
g) 检测时机;
h) 检测方法和检测步骤;
i) 检测的标记和原始数据记录要求;
j) 检测后的操作要求;
k) 检测结果的评价及处理方式;
l) 检测记录、报告和资料存档;
m) 编制、审核、批准人及日期。
6.2 检测准备
6.2.1 资料审查
资料审查宜包括以下内容:
a) 检测工件制造文件资料:产品合格证、质量证明文件、竣工图等,重点了解其类型、结构特征、材
质特性、损伤模式等;
b) 检测工件运行记录资料:运行参数、工作环境、载荷变化、情况以及运行中出现的异常情况等;
c) 检测工件检验资料:历次检验与检测报告;
d) 检测工件其他资料:维护、保养、修理和改造的文件资料等。
6.2.2 现场勘查和检测条件确认
现场勘查和检测条件确认包括以下内容。
a) 对于在役设备的检测,应对检测工件进行现场勘查,找出并设法排除可能影响检测结果的因素
(包括但不限于强电磁干扰),同时对检测工件进行定位标识。
b) 确认操作工况,包括操作空间、作业环境,如是否易燃易爆。易燃易爆场合作业需采用具有防
爆能力的检测设备器材,同时检测电压尽量低。在确认检测操作过程有足够的防爆能力后,再
实施检测。
c) 确认检测对象状况,如温度情况、载荷情况、表面状况等。检测工件表面应无影响检测的障碍
物和干扰检测的异物,如有影响检测的表面异物等应清除,以保证检测正常进行。
d) 确认检测系统在现场检测环境下通过复核。
e) 确认是否有影响人员安全的因素。
6.2.3 检测方法确定
6.2.3.1 根据检测目的和检测工件的形状和尺寸,确定检测方式和检测方法,包括手动检测或自动
检测。
6.2.3.2 按以下情形选择超声探头,保证探头与检测工件表面吻合良好:
---检测工件为平整表面,一般选择平面式超声探头;
---检测工件为弧形、不规则表面,可根据超声波传播方向与角度需求选择曲面超声探头。
6.3 系统调试
6.3.1 对检测设备进行周期性维护和检查,以保证仪器功能。在进行现场检测之前,选择相应规格的
标准试块对检测仪器进行校准,若检测结果与之前保持一致或在允许误差范围内,则表明仪器正常。在
现场进行检测时,如怀疑设备的检测结果,对设备进行功能检查和调整,并对每次维护检查的结果进行
记录。
6.3.2 在标准试块选择某一厚度,在保证激励信号不发生失真(波形畸变)的条件下,将激励电压从200V
逐步提高到400V,观察接收传感器记录的二次谐波信号幅值与基波信号幅值平方的比值是否存在线
性关系。其中,线性拟合质量由决定系数R2 衡量,R2 不低于0.95。加载电压变化后二次谐波信号幅
值和基波信号幅值平方的比值之间的关系见图4。
标引符号说明:
A12---基波信号幅值的平方,单位为二次方伏特(V2);
A2 ---二次谐波信号幅值,单位为伏特(V)。
图4 加载电压变化后基波和二次谐波信号幅值之间的关系
6.3.3 保持基波的激励电压不变,在10阶梯非线性超声检测标准试块上通过异侧测量的方式获得不
同传播距离的非线性超声参量,观察非线性超声参量是否随着传播距离增加而线性增长。其中,线性拟
合质量由决定系数R2 衡量,R2 不低于0.9。非线性超声参量随着传播距离的线性变化关系见图5。
标引符号说明:
A12---基波信号幅值的平方,单位为二次方伏特(V2);
A2 ---二次谐波信号幅值,单位为伏特(V);
d ---传播距离,单位为毫米(mm)。
图5 非线性超声参量随传播距离的变化关系
6.4 系统复核
如出现以下情况时,应对非线性超声检测系统进行复核:
a) 每次检测开始前和结束后;
b) 两班工作的间隔期内;
c) 超声探头或导线更换时;
d) 怀疑检测设备工作不正常时;
e) 合同各方有争议或认为有必要时。
若复核读数偏差超过仪器允许误差,则对检测开始或上次复核以来的全部测量数据予以复测。
6.5 标定
6.5.1 标定的目的是建立材料组织结构损伤程度与非线性超声二次谐波的关系,标定数据可为标定曲
线或筛选曲线。标定数据视具体检测损伤模式而定。
如采用非线性超声纵波二次谐波检测疲劳损伤,标定时可在实验室通过拉伸机将检测工件进行不
同次数的疲劳拉伸或挤压,制备不少于10个标定试样。在每个标定试样上测量非线性超声纵波基波和
二次谐波的频谱幅值,每个标定试样上设置不少于5个测量点,每个测量点测量不少于5次,建立起拉
压疲劳损伤---归一化非线性超声参量曲线。
6.5.2 标定包含以下操作步骤:
a) 标定前对仪器进行校准;
b) 将仪器参数调整至调试后确定的参数;
c) 记录归一化非线性超声参量与目标测量值的对应关系,制作标定曲线。
6.6 检测实施
检测实施应包括以下内容:
a) 检测工件表面预处理,确保被测部位表面光洁,不应存在覆盖物、毛刺等,检测面的表面粗糙度
Ra不大于0.8μm;
b) 按照工艺设计将检测系统的软硬件置于检测状态。超声发射和接收探头置于要求位置,沿设
计路径扫查。扫查中应采取适当措施保持路径和速度在设计范围内;
c) 手动检测时一般采用接触式检测,保证发射和接收探头与检测工件的接触压力保持合适的水
平;发射和接收探头保证中心对齐;超声激励过程中传感器不应出现振动;
d) 检测时参数的推荐设置:对于一般的金属材料,激励电压应达到200V~500V;为减少发射和
接收时其他频率信号的影响,在发射端可用与激励信号频率一致的低通滤波器,......
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