摘　要：針對火電廠常用高溫高壓螺栓材料25Cr2Mo1V鋼常因松弛失效導(dǎo)致脆性斷裂事故這一現(xiàn)象，從損傷力學(xué)觀點出發(fā)，結(jié)合無損探傷理論，提出用超聲波與聲發(fā)射特性評估火電廠高溫高壓汽缸連接螺栓松弛損傷失效方法，并使所測損傷參變量實現(xiàn)量化。
關(guān)鍵詞：超聲波；定量評估；火電廠；螺栓；松弛失效

1　螺栓松弛損傷失效常規(guī)分析方法及損傷力學(xué)觀點
　　
由于耐熱鋼螺栓，在運行工況下，長期承受高溫和應(yīng)力作用時，它處于松弛與蠕變過程中，在其鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生各種不同程度的損傷現(xiàn)象。若按物理學(xué)觀點從細觀角度來看，松弛和蠕變損傷可看作是材料中位錯、孔穴、孔洞、裂隙等不連續(xù)微缺陷的萌生和不斷長大的發(fā)展結(jié)果。若按化學(xué)觀點從金相角度來看，松弛和蠕變損傷則表現(xiàn)出一些局部區(qū)域產(chǎn)生碳化物MO2C或MO23C5、石墨區(qū)，形成碳化物網(wǎng)與球化區(qū)，構(gòu)成孿晶界、擠入槽、滑移帶和石黑化區(qū)等金相微觀圖象。若按力學(xué)觀點從宏觀角度來看，松弛和蠕變損傷則表現(xiàn)為鋼材的強度、剛度、韌度、彈性、塑性、硬度和粘塑性等一系列高溫和常溫下宏觀力學(xué)性能的降低或劣化。若按熱力學(xué)觀點從耗能角度來看，松弛和蠕變損傷又可認為是鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的一種不可逆的耗散能量的變化過程。因此，對耐熱鋼螺栓進行松弛和蠕變損傷的力學(xué)分析時，應(yīng)著重針對因松弛和蠕變損傷所引起的宏觀力學(xué)效應(yīng)及其最終導(dǎo)致斷裂破壞的演變規(guī)律提出損傷力學(xué)解決方法。

2　描述受損材料的內(nèi)部狀態(tài)變量
　　
耐熱鋼螺栓在高溫和一定預(yù)緊應(yīng)力作用下，隨著運行時間延續(xù)其應(yīng)力隨時降低的同時，其產(chǎn)生的不可逆蠕變應(yīng)變也隨時增長，這種宏觀力學(xué)效應(yīng)反映出鋼螺栓受力變形過程中，其內(nèi)部萌生孔穴、孔洞和微裂紋及其擴展，從而導(dǎo)致螺栓的有效承載截面積逐漸減小，同時在這些內(nèi)部缺陷之間也發(fā)生相互作用及其應(yīng)力與應(yīng)變重新分布等。為了很好地反映這種長期松弛和蠕變過程中鋼材受損傷狀態(tài)，可以引用現(xiàn)代固體力學(xué)中連續(xù)損傷力學(xué)的內(nèi)部狀態(tài)變量來描述。
　　
考慮到鋼材內(nèi)部因松弛和蠕變（實質(zhì)上是粘塑性狀態(tài)）損傷所致的細觀缺陷數(shù)目眾多、形狀各異、分布不勻、強弱不等的千差萬別，連續(xù)損傷力學(xué)將這類損傷所致的細觀缺陷的存在與演變時的力學(xué)效應(yīng)，通過引入一抽象的被稱為連續(xù)損傷變量的內(nèi)部狀態(tài)變量來描述它。對于損傷變量D的定義，從受損傷材料介質(zhì)中取出任一損傷微體元（如圖1所示），它是一個宏觀尺度范圍內(nèi)的受損傷材料的損傷微體元，其尺寸足夠大以致于可含大量的微缺陷，但它又十分地小，可以看作是一個材料介質(zhì)點，以致于連續(xù)損傷力學(xué)的概念可以被引用。若假設(shè)被法向規(guī)定的該單元任一截面的全面積為S，而因松弛與蠕變損傷在該面積S內(nèi)產(chǎn)生的受損面積為SD，則可將比值D＝SD／S定義為損傷變量沿該截面法線方向的分量。若比值SD／S與截面的方向無關(guān)，則此情況下的損傷變量為一標(biāo)量，屬各向同性損傷問題；若比值SD／S與該截面的方向n有關(guān)，則此情況下的損傷變量具有張量性質(zhì)，屬各向異性損傷問題。因此，力學(xué)中描述受損傷材料的損傷狀態(tài)之損傷變量，可以是標(biāo)量、矢量、二階張量或四階張量等，可用它來概括描述損傷性狀。

鋼螺栓在高溫和一定預(yù)緊應(yīng)力作用下拉伸引起越來越大的蠕變應(yīng)變εp和萌生孔洞與微裂紋及其擴展形成滑移并伴有碳化物析出形成碳化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等，從而導(dǎo)致螺栓承載截面上一部分有效承載面積逐漸減少，另一部分受損面積隨即增大。為了切實反映這種松弛與蠕變損傷性狀，基于連續(xù)損傷力學(xué)引入有效應(yīng)力概念，由圖1可知，若作用在全面積S上的力為F，則σ＝F／S。定義D＝SD／S，那么有效承載面積為，而有效承載面積上作用的有效應(yīng)力為：

3　用超聲波與聲發(fā)射特性表征鋼材的損傷變量
　　
科學(xué)實驗表明，聲波在材料中的傳播速度與材料的彈性模量等密切相關(guān)。因此，材料受損傷會引起聲波在材料中傳播速度的改變。這樣就可以通過測定聲波速度來估算材料的損傷程度。
　　
當(dāng)聲頻大于20kHz時，各向同性材料（如鋼材）中的聲速與其彈性常數(shù)（E、G、υ、λ）和密度ρ具有下述關(guān)系：縱向聲速

式中ρ為材料密度；E為材料彈性模量；G為材料剪切彈性模量；v為材料泊松比；