专利名称：产生缺陷和残余张应力的方法
技术领域：
本发明涉及一种在试样内产生受控的缺陷和残余应力的方法。
在操作期间，例如热疲劳裂纹等缺陷可能会出现在如核电站的不同元件内。使用非破坏性测试(NDT)方法，用来在定时间隔的检测中检测预先确定的阀门、管道、管的连接部分等等。在现场检测过程中，由于所使用的方法和进行检测人员的原因，总是出现不准确现象。包含有与真实裂纹类似的人造裂纹的试样被应用于NDT测试方法和被提供给检测者。对非破坏性测试材料的可靠性所进行的国际PISCI、II和II研究已经指出在缺陷的检测和定义中的明显不足，并且表明需要进行鉴定。
例如，在检测核电站中要求鉴定。已经发布了鉴定NTD检测核电站的规定(在美国，机械工程师协会代码部分XI，在欧洲，NRWG和ENIQ)，按照此规定，设备、试样、操作过程和检测人员应该是合格的。
根据欧洲的鉴定程序，试样的尺寸(直径、壁厚等)应该与要被检测的真实目标一致。同时试样的其它特征，例如材料、形状、表面质量、制造方法和焊缝位置也必须与工厂中的实际元件一致。缺陷的类型、形状、尺寸、位置、走向和开口必须与自然缺陷密切地一致。在鉴定试样中缺陷的特性对于整个鉴定程序是很重要的。使用具有与自然缺陷尽可能相同的缺陷的试样能确保，鉴定程序可以用所期望的精度来检测和定义这种缺陷。对人员进行鉴定的测试决定检测者是否能足够精确地检测和定义缺陷。
目前，已经知道在试样上产生不同类型的缺陷和裂纹的方法。在这些众所周知的方法中，通常通过焊接将一人造裂纹移植到试样中，制造一个焊接缺陷，或在试样上机加工出凹口。日本公开的专利申请JP57-034439介绍了一种可以在一板形件的表面上产生裂纹的方法。另外，日本公开的专利申请JP58-055752介绍了一种制造人造裂纹的方法，其中，在两个试样之间的接头的表面机加工出一孔，此后将两个试样连接在一起。第三个公开的日本专利申请JP8-219953介绍了一种制造缺陷的方法，即在试样上机加工出凹槽，并在凹槽内填充具有与试样材料不同的声学特性的材料。目前没有一种方法能够在任何形状的试样上、任何位置产生任何所期望走向和形状的缺陷。在鉴定时，产生与真实情况相同的裂纹是一个核心的问题。
美国专利US5,013,370介绍了一种产生残余张应力状态的方法，其中，通过冷却试样的一个表面并且局部加热该表面的相反表面，来产生残余张应力。在上文中所介绍的发明要求被检测的物体或试样至少具一无应力的区域，在此情况下可以产生残余张应力状态。直接对该区域加热，如果在一个以上的区域产生残余张应力，则每个区域的初始状态必须都是无应力的。
在所述的公开文献中，加热和冷却是在零件彼此相反的表面上进行。这种安排会在被处理的区域内产生一不受控制的张应力状态。根据所述专利中，例如利用侵蚀性的裂纹促进环境，如沸腾的氧化镁溶液、高温下的充氧水等，能在一张应力的诱发区域产生一裂纹。
与美国专利US5,013,370不同，本发明能用于产生一所需的受裂纹或一受控的残余应力状态(张应力或压缩应力)，而对环境或应力状态没有要求。因为在本发明中不是对试样的不同侧面进行加热/冷却，所以对试样的形状和尺寸也没有要求。此外，对试样内初始状态的残余应力也没有要求。
本发明上述和别的优点和益处将通过一种方法来获得，该方法的特征将在权利要求书中进行介绍。
本发明的基本思想是重复地交替地对试样加热和冷却，也就是使它产生热疲劳，因此产生与自然裂纹相同的裂纹，或一期望的受控的残余应力状态。
通常需要指出的是，利用上文所公开的方法所引发的裂纹与自然裂纹不一致，当制造这种用于鉴定的试样时，这是明显的缺陷。目前是通过如下方法在鉴定的试样上产生裂纹的将具有裂纹的零件焊接成一个试样或在一试样上焊接出一热裂纹，或简单地在试样上机加工出凹口。通过焊接而被移植的裂纹可以是自然的并来自真实的零件，即在操作中具有裂纹的真实的零件，也可以是在不同试样中被人为制造出的。无论被移植的裂纹是如何产生的，移植所产生的焊缝将保持在材料上。热裂纹是通过如下方法制造出的在试样上机加工出一窄槽，随后通过焊接将所述窄槽封闭，在上述焊接时将采用使焊缝在所期望方向上产生裂纹的参数。使用这些方法在试样上所焊接的接头可以轻易地利用NDT检测方法进行检测。被机加工出的凹口的宽度和进展与自然缺陷的宽度和进展不一致。
所研究的方法可以用于在试样上的任何位置灵活地制造类似于自然缺陷的裂纹，而不论形状和尺寸。裂纹直接形成试样的表面上。不要求裂纹引发剂(被机加工出的凹口等)。裂纹在试样表面上生长，材料不会经历可以能被NDT方法检测出的微小结构变化或别的变化。这是显著的优点，因为在使用被移植或被焊接的裂纹时，检测者可能会注意到试样上的焊缝并在同一区域警觉地更仔细地检查裂纹。利用已被研究的方法所产生的裂纹在某些项目上与自然裂纹完全一致，例如裂纹的传播和分支和裂纹尖端的曲率，所有这些例如都会影响到在超声波检测中所接收的信号以及对它们的解释。
已被研究的方法是基于热疲劳现象和对热疲劳的新的应用。热疲劳现象作为一种公知的现象已经有很长的时间了，特别是在高温下使用的材料。在热疲劳中快速的加热和冷却的循环导致试样上温度急剧地变化，导致根据材料热膨胀系数的应力和应变循环，最终造成疲劳损坏。
使用被研究的方法制造出的裂纹适于用在NDT鉴定的试样中。可以根据下列要求制造裂纹。
裂纹的形态与自然裂纹充分一致，当使用NDT程序鉴定时，具有一类似于自然裂纹的反应。
所述方法可以用于制造单个裂纹和裂纹网络单个裂纹的走向可以被改变可以制造不同尺寸和形状的裂纹，而不受试样材料厚度的影响如果不计划在测试后毁坏试样，在疲劳循环期间或疲劳参数的基础上，要被制造的裂纹的尺寸可以被估算加热和冷却的图案可以被改变，以便使裂纹在所期望的方向生长。
下文将结合附图
对本发明的操作进行介绍，所述附图显示了加热和冷却的安排。用数字1表示强制冷却(使用液体或气体进行冷却)，用数字2表示加热，用数字3表示加热图案(等温线)。
按照附图进行安排，这样加热器2用于将表面加热到所期望的温度，此后，表面被冷却1到一较低的温度。在加热期间，出现一取决于热量输出和加热时间的加热图案3，图案的形状会影响所产生缺陷的走向。
借助于下列示例，介绍本发明的操作。
示例1
在一根管上制造一单独裂纹或几个单独的平行裂纹，所述管与核电站中所使用的相同。加热图案被定形为，即对管来说，是一较长尺寸的圆周形。这导致裂纹在管的轴向生长。加热和冷却周期都是30秒。在测试期间，最大温度大约是700℃，最小温度大约是10℃。强迫冷却被用于阻止加热图案由于热传导而扩散。在强迫冷却过程中，冷却水被连续地引导到被加热区域的两侧，在加热周期内也同样。
全部循环次数是6500，加热和冷却一次包括在一次循环内。在这个循环数量，试样上形成的微裂纹已经长大成三维方向的裂纹。
根据本发明的方法用于在母材上形成一单独的裂纹或多个裂纹。
示例2本方法用于在管子的焊缝上制造一裂纹或多个裂纹，这些裂纹是在管子的内表面上被制造出的。
加热图案是用如下方式形成的，即它在焊缝的根部焊道上方延伸，它的中心点接近根部焊道。在校准时，加热时间是6秒，可以获得700℃的加热温度。冷却时间为10秒。在测试期间，进行17803次循环。进行渗透试验，显示裂纹已经在焊缝的两侧形成。除了上述的裂纹，一单独的不沿根部焊道上方延伸的裂纹在垂直于焊缝的方向生长。
该方法可以用于制造具有与自然裂纹相同性质的裂纹，所述裂纹可以用于试样的鉴定。方法可以被用于生长热疲劳的网络裂纹和单独裂纹，对所制造的裂纹进行超声波检测显示，裂纹对检测程序的反应与真实的一致。
已经用上述示例的方式使用该方法。此外，该方法也可以用来在试样上产生残余应力。，残余应力也可以通过在试样所需的区域内进行热循环来产生，同时永久残余应力状态将出现在试样内。在循环期间，残余应力状态的改变取决于所使用的加热和冷却参数。
应该指出的是，本发明并不局限于上述示例，可以在权利要求和本发明思想的范围内进行各种变化。
权利要求
1一种用于在试样上制造人造缺陷和/或残余应力的方法，其特征在于，被测试的物体被连续地加热和冷却，以便产生缺陷和/或残余应力。
2如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过形成加热图案和/或冷却图案，来产生所需形状的缺陷和/或残余应力。
3如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过冷却位于所期望图案的区域之外的试样，来控制加热图案的形状。
4如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用足够数量的顺序交替的加热和冷却循环，来获得热疲劳损害。
5如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述缺陷在没有初始缺陷或其它成核剂的条件下生长。
6如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用加热和冷却输出、加热和冷却的持续时间和热循环的次数，来控制所制造缺陷和残余应力的大小。
全文摘要
一种用于在不同种类的试样上制造与自然缺陷和残余应力一致的受控的缺陷和残余应力的方法。与自然缺陷相同的缺陷用来符合非破坏性测试(NDT)方法。该方法使用连续重复的加热－冷却循环,以便产生缺陷和残余应力。加热和冷却图案的形状、加热和冷却的持续时间周期和热循环的次数用来控制所获得的缺陷和残余应力的大小。该缺陷在没有初始缺陷或别的成核剂的条件下生长。在形态和使用NDT方法所获得的信号方面,缺陷与自然缺陷一致,适于在例如NDT鉴定程序中使用。
文档编号G01M99/00GK1326548SQ99813334
公开日2001年12月12日 申请日期1999年11月16日 优先权日1998年11月16日
发明者凯·埃尔温, 汉努·汉尼宁, 米卡·肯皮宁, 佩卡·萨里宁, 伊尔卡·维尔库宁 申请人:赫尔辛基理工大学