《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。

目录
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声非线性检测 159
10.5 本章小结 161
参考文献 163

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，其承温能力得到了大幅度的提高，如图1.2所示。等轴晶高温合金晶界处的杂质较多、原子排列不规则，在高温下承受载荷时，与应力垂直的晶界极易形成裂纹源，导致构件破坏失效。定向凝固高温合金消除了与应力方向垂直的横向晶界，使得材料的力学性能得到了很大程度的提高，但是裂纹仍有可能在纵向晶界上萌生。镍基单晶高温合金则由一整个晶粒构成，完全消除了晶界，并且增加了Mo、Ta、Cr、Co等难熔元素的含量，进一步提高了合金的疲劳和蠕变性能。目前，先进的航空发动机几乎都采用了镍基单晶高温合金作为其涡轮叶片材料。但是，由于镍基单晶高温合金造价昂贵，考虑到经济效益，一些民用航空发动机涡轮叶片仍然采用等轴晶高温合金和定向凝固高温合金材料，同时，这两种合金也被广泛应用于发动机导向叶片、涡轮盘及其他使用温度相对较低的部件。
　　镍基高温合金是一个含有Ni、Al、Cr、Co、Ta、W、Mo等多种合金元素的复杂合金体系。按元素在合金中的作用，可分为固溶强化元素(如Ni、Cr、Co、Mo、W、Re等)、沉淀强化元素(如Ta、Ti、Nb、Al等)和晶界强化元素(如C、B、Hf、Zr等)，这些元素的共同作用和合金制备工艺的不断发展造就了镍基高温合金出色的高温力学性能以及抗氧化/腐蚀性能、工艺性能、涂层性能、铸造性能、组织稳定性等。在第二代和第三代镍基单晶高温合金中，还添加了Y、La、Ce等稀土元素，降低合金在长期高温服役状态下形成有害密排拓扑相的倾向。
　　铸态的镍基高温合金经过固溶和时效热处理之后形成均匀分布的微观组织结构，其组成为体积分数约为70%的长程有序的 相(强化相)以共格形式镶嵌在无序的.相(基体相)中[11]，如图1.3(a)所示。.相为面心立方结构，是Cr、Mo、W等元素溶入Ni元素中形成的固溶体，其晶格结构如图1.3(b)所示，相是以Ni3Al为基的L12型金属间化合物，通常含有Ti、W等元素，其晶格结构如图1.3(c)所示，两相之间存在负的晶格错配度。除了.相和 相外，镍基高温合金晶内和晶界处通常还存在体积分数约为5%的少量块状MC型碳化物与链状分布的M6C型和M23C6型碳化物相。
　　镍基高温合金的强化机理主要为固溶强化和第二相强化，固溶强化通过Ni元素中大量溶解的Co、Cr、Mo等金属元素提高基体的再结晶温度，产生难溶原子团，降低堆垛层错能，从而获得显著的强化效果。第二相强化通过 相对位错运动的阻碍作用减缓合金的塑性变形，通常认为，第二相强化是镍基高温合金优异高温强度的根本原因。因此， 相的形态、尺寸、体积分数等对镍基高温合金材料的力学性能起着决定性作用，通过合适的热处理工艺可以对 相的成分和形貌进行控制以获得所需的力学性能。
　　涡轮叶片材料在高温服役状态下，主要的损伤失效形式包括以下几种。
　　(1)拉伸塑性变形。涡轮叶片材料在加工和服役过程中，不可避免地会引入塑
　　性变形，适当的塑性变形可以提高材料的强度，而过量的塑性变形则会减弱材料的机械性能，严重时可以导致构件断裂破坏。镍基高温合金塑性变形的主要微观机制表现为位错及层错的运动和增殖，在宏观上表现为滑移系的开动。
　　(2)高温热暴露。航空发动机涡轮叶片材料在燃烧室中承受着850～1150℃的超高服役温度，镍基高温合金在长期服役过程中 相会发生粗化甚至连接形成筏状结构(图1.4)，破坏组织的连续性和稳定性，导致材料性能迅速下降。此外，碳化物相和脆性密排拓扑相的析出也极易成为裂纹源，降低合金的高温力学性能。长期时效作为一种常用的试验方法在一定程度上用来模拟高温合金服役过程中的温度状态，研究合金的组织和性能变化，能够为合金的可靠使用提供依据。
　　(3)疲劳。金属构件在循环往复的载荷的作用下，会产生局部永久性累积疲劳损伤，从而引发疲劳裂纹萌生和扩展，导致材料性能退化，造成构件的疲劳断裂。疲劳破坏的应力往往小于材料的强度极限，甚至小于其屈服极限。疲劳破坏是航发涡轮叶片的一种主要失效形式，如图1.5所示，由于损伤的隐蔽性和破坏的突发性，疲劳断裂极易引发严重的事故，造成巨大的经济损失[12]。
　　(4)蠕变。离心力导致的蠕变也是航空发动机高温服役部件的一种主要失效机制。蠕变是指在高温恒定应力(一般小于屈服强度)的条件下，材料的应变持续增大的现象。蠕变过程中材料微观组织的变化比较复杂，包括位错的运动和复杂位错结构的形成，还会发生析出相形态和体积分数的变化。在蠕变后期，微观结构的改变和应变累积会导致微孔洞的形成，之后会形成微裂纹，再扩展成宏观裂纹，直至构件断裂破坏。
　　1.3无损检测评估技术
　　无损检测(non-destructive testing，NDT)是一门以物理学、电子学和材料科学为基础的综合性应用技术。它能在不损伤被检测对象使用性能、形状及内部结构的条件下，利用材料内部的结构异常或者存在的缺陷所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化来对各种工程材料、零部件、结构等内部和表面缺陷进行探测，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。
　　无损检测技术逐渐从单纯的检验测试技术发展为无损评估(non-destructive evaluation，NDE)技术，不仅要检测出构件在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况，及时发现故障，保证设备安全、高效和可靠地运行，还需要对缺陷做出定性或者定量评价，研究缺陷与材料性能的关系，分析缺陷的危害程度，判断构件在缺陷存在的情况下能否继续服役，评价构件的允许负荷、寿命或剩余寿命。
　　磁粉检测技术、渗透检测技术、涡流检测技术、射线检测技术和超声检测技术为五大常规无损检测技术，这些技术已经具备比较成熟的理论基础、检测方法和相应的检测设备，并且在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空航天和核能等工业领域零部件、构件，以及大型设备的质量管理、在役检测和质量鉴定等方面得到了非常广泛的应用。声发射检测技术、红外检测技术等新兴技术也逐渐在医学、航空航天、机械制造等领域被广泛应用。