CN103308602A - 一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，解决了传统探伤难以对零部件因缺陷的存在造成何种影响的问题，所述方法步骤如下：利用超声波脉冲反射法无损检测机器零件或材料中的缺陷；精确定位被检机器零件或材料中的缺陷位置；精确确定被检机器零件或材料中的缺陷大小；对机器零件或材料进行受力分析；利用断裂力学对机器零件或材料进行无损评价估算。

Description

一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，属于材料或机器零件检测领域。

背景技术

随着科学与工业技术的迅速发展，工业现代化进程日新月异，高温、高压、高速度和高负荷已成为现代工业的重要标志，但它的实现是建立在材料或构件高质量的基础上的，为确保这种优异的质量和安全可靠性，必须对产品进行百分之百的不破坏产品原来形状、不改变使用性能的无损检测方法。无损检测技术的应用范围十分广泛，已在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空航天和核能等工业中被普遍采用。

无损检测除探测材料或构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、分布、方位、取向和内含物等情况进行判断外，更重要的是这些缺陷的存在对该材料或构件在工作过程中造成什么影响，即这样的材料或构件能否在此服役条件下继续使用，如果能够使用，大概能用多长时间。而这些恰恰是当前无损检测中欠缺的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，解决了传统探伤对零部件有损伤或探测不准确的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，所述方法步骤如下：

(1)利用超声波脉冲反射法无损检测机器零件或材料中的缺陷：脉冲振荡器产生超声波，并把超声波通过超声波探头入射到被检机器零件或材料表面，所述超声波无损探伤分为垂直探伤和斜射探伤，当为垂直探伤时，分为三股波返回至超声波探头，所述三股波分别为：始波、伤波和底波；当为斜射探伤时，分为二股波返回至超声波探头，所述二股波分别为：始波和伤波，超声波探头接收到三股波或二股波后通过高频电压发生器转换成高频电压，并通过接收放大器进入示波器，同时脉冲振荡器产生的超声波通过高频电压发生器产生高频电压作为对比信号也直接通过接收放大器进入示波器中，所述示波器横坐标以脉冲振荡器的起震荡时间为基点，把辉点向右移动，从而在示波器上可以得到波形图，通过波形图，可以看出被检机器零件或材料是否有缺陷、缺陷的部位及大小；

(2)精确定位被检机器零件或材料中的缺陷位置：

——精确定位缺陷在探测面上投影位置：

L＝S*sinγ

式中：L---入射点到缺陷的水平距离；

      γ---折射角；

      S---探测面的入射点至缺陷的波程；

——缺陷波程s的测定：固定标尺法

垂直探伤：h＝H*S_伤屏/S_底屏

式中：h--缺陷与机器零件或材料的探测面距离；

      H--机器零件或材料的厚度；

      S_伤屏--缺陷波和始波在固定标尺上的距离读数；

      S_底屏--底波与始波间在固定标尺上的距离读数；

斜射探伤：

当斜射探伤时，所述缺陷波程s的测定方法如下：

测量时，先找一块与待测机器零件或材料同质同厚的材料做试件，然后使探头对试件的垂直边缘慢慢向后移动，直到反射波穿过底角，即在示波器显示屏上显示一个最高位置为止，此时，声波入射点到机器零件或材料底面尖角处的距离为正射波法的波程，用S_1/2表示，入射点到垂直端面边缘的距离用P_1/2表示，荧光屏上，固定标尺的零点与底角反射波，即荧光屏上显示最高位置的距离为S_1/2屏，此时，将探头移至机器零件或材料进行探测缺陷，直到荧光屏上出现缺陷的脉冲波，这样就可计算出缺陷波程s：

s＝S_1/2S_伤屏/S_1/2屏

S_1/2＝P_1/2/sinγ

——精确确定缺陷存在的深度：

h＝s*cosγ

式中：s---声波自探测表面到缺陷的波程；

(3)精确确定被检机器零件或材料中的缺陷大小：脉冲消失法

在探测发生缺陷后，将超声波探头前后左右移动，找出缺陷波消失的位置a和b，然后用下式计算缺陷大小d

d＝L-2h*tanθ

式中：L---当缺陷消失时两探头位置(a、b)边缘间的距离；

      h---缺陷存在的深度；

      θ---声束的半扩散角；

(4)对机器零件或材料进行受力分析：根据上述三步，将探测出的各种缺陷进行几何化处理后，找出垂直于工作应力或服役时承受的外加应力这一方向的最大缺陷，查找工程构件所用材料的各种性能指标；

(5)对机器零件或材料进行无损评价估算：利用工程材料断裂力学进行计算

计算材料或构件在服役应力下存在裂纹的开裂尺寸a_c，

δ_f＝K_1c/Ya_c ^1/2

式中：δ_f——是工程构件服役时的外加应力(MPa)；

      K_1c——是工程构件所用的材料的断裂韧性(MPa·m^1/2)，

通过查找相关材料手册获得；

      Y——形状因子，取决于缺陷在材料中的位置和取向；

      a_c——是工程构件材料中的临界裂纹大小(m)；

估算机器零件或材料的剩余寿命

$N={\∫}_{a_0}^{a_c}\mathrm{da}/c{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^{-n}$

式中：N——是所含缺陷工程构件的寿命；

      c，n——随材料而变化的常数；

      ΔK——工程材料裂纹尖端的应力场强度因子幅，通过构

件的服役状态分析获得；

a₀，a_c——工程构件中缺陷的起始尺寸和临界裂纹尺寸。

进一步的，所述始波为刚碰到被检测机器零件或材料表面并返回至超声波探头的超声波，所述伤波为从缺陷处返回至超声波探头的超声波，所述底波为未碰到缺陷的超声波从被检机器零件或材料底面返回至超声波探头的超声波。

进一步的，所述精确确定被检机器零件或材料中的缺陷大小还可以采用如下方法：

——当量高度法

做一批不同大小和深度的人为缺陷试块，然后测其反射波高度，做出两条曲线：

由机器零件或材料缺陷波的高度来对比判断缺陷的面积和深度；

——脉冲半高度法

先测出缺陷对声束全反射的高度A，然后将探头作左右或前后移动，使缺陷波的高度为A/2，则此时缺陷的长度b与探头移动的距离L相等。

进一步的，所述超声波探头与所述被检机器零件或材料表面之间设有偶合剂，以确保超声波探头与所述被检机器零件或材料表面接触良好。

进一步的，所述偶合剂为润滑油材料。

进一步的，在垂直探伤时，使用超声波纵波，在斜射探伤时使用超声波横波。

本发明的有益效果是：本发明通过超声波无损检测对材料或机器零件进行探伤，得出缺陷的大小和位置，并利用材料学的相关知识进行计算，得到该材料或机器零件在工作条件或者服役环境中可能剩余的寿命，测量简单，容易操作，测量精度高，从而保证机器零件或材料在服役中的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明探测方法的框架流程图；

图2为超声波无损检测过程图。

其中，1、脉冲振荡器；2、高频电压发生器；3、接收放大器；4、示波器；5、机器零件或材料；6、超声波探头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示的超声波无损检测过程，首先，脉冲振荡器1产生超声波，并把超声波通过超声波探头6入射到被检机器零件或材料5表面，所述超声波无损探伤分为垂直探伤和斜射探伤，当为垂直探伤时，分为三股波返回至超声波探头6，所述三股波分别为：始波、伤波和底波；当为斜射探伤时，分为二股波返回至超声波探头6，所述二股波分别为：始波和伤波，超声波探头接收到三股波或二股波后通过高频电压发生器2转换成高频电压，并通过接收放大器3进入示波器4，同时脉冲振荡器1产生的超声波通过高频电压发生器2产生高频电压作为对比信号也直接通过接收放大器3进入示波器4中，所述示波器4横坐标以脉冲振荡器1的起震荡时间为基点，把辉点向右移动，从而在示波器4上可以得到波形图，通过波形图，可以看出被检机器零件或材料5是否有缺陷、缺陷的部位及大小。

实施方式一：

当为垂直探伤时：垂直探伤时，折射角γ＝0°，从而根据公式L＝S*sinγ，得出L＝O，缺陷波程s＝H*S_伤屏/S_底屏，缺陷存在的深度h＝s*cosγ，得出h＝s＝H*S_伤屏/S_底屏，S_伤屏、S_底屏可以通过对示波器4的显示屏进行测量读取；

计算缺陷大小d：根据公式d＝L-2h*tanθ，带入上述结果得出，d＝0-2H*S_伤屏/S_底屏*tanθ＝-2H*S_伤屏/S_底屏*tanθ，其中θ为已知参数；

计算临界裂纹尺寸a_c：根据公式δ_f＝K_1c/Ya_c ^1/2得出a_c＝(K_1c/Y*δ_f)²，其中d通过上述步骤计算出，当材料确定时，Y、K_1c为已知数，在机器零件或材料5使用过程中δ_f为已知数，从而得出临界裂纹尺寸a_c的具体值；

计算机器零件或材料5的剩余寿命：根据公式

其中a₀＝d/2，a_c已经计算出，从而可以得到机器零件或材料5的剩余寿命N的具体时间。

实施方式二：

当为斜射探伤时：斜射探伤中，折射角γ为已知数，L＝S*sinγ，主要实施方法与实施方式一类似，主要区分为测定缺陷波程的方法不同，根据公式s＝S_1/2S_伤屏/S_1/2屏及S_1/2＝P_1/2/sinγ可以计算出s＝P_1/2/sinγ*S_{伤 屏}/S_1/2屏，从而计算出的缺陷大小d＝L-2h*tanθ＝S*sinγ-2P_1/2/sinγ*S_伤屏/S_1/2屏*tanθ，计算计算临界裂纹尺寸a_c及机器零件或材料5的剩余寿命与实施方式一相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)利用超声波脉冲反射法无损检测机器零件或材料中的缺陷：脉冲振荡器产生超声波，并把超声波通过超声波探头入射到被检机器零件或材料表面，所述超声波无损探伤分为垂直探伤和斜射探伤，当为垂直探伤时，分为三股波返回至超声波探头，所述三股波分别为：始波、伤波和底波；当为斜射探伤时，分为二股波返回至超声波探头，所述二股波分别为：始波和伤波，超声波探头接收到所述三股波或二股波后通过高频电压发生器转换成高频电压，并通过接收放大器进入示波器，同时脉冲振荡器产生的超声波通过高频电压发生器产生高频电压作为对比信号也直接通过接收放大器进入示波器中，所述示波器横坐标以脉冲振荡器的起震荡时间为基点，把辉点向右移动，从而在示波器上可以得到波形图，通过波形图，可以看出被检机器零件或材料是否有缺陷、缺陷的部位及大小；

(2)精确定位被检机器零件或材料中的缺陷位置：

——精确定位缺陷在探测面上投影位置：

L＝S*sinγ

式中：L---入射点到缺陷的水平距离；

      γ---折射角；

      S---探测面的入射点至缺陷的波程；

——缺陷波程s的测定：固定标尺法

垂直探伤：h＝H*S_伤屏/S_底屏

式中：h--缺陷与机器零件或材料的探测面距离；

      H-机器零件或材料的厚度；

      S_伤屏--缺陷波和始波在固定标尺上的距离读数；

      S_底屏--底波与始波间在固定标尺上的距离读数；

斜射探伤：

当斜射探伤时，所述缺陷波程s的测定方法如下：

测量时，先找一块与待测机器零件或材料同质同厚的材料做试件，然后使探头对试件的垂直边缘慢慢向后移动，直到反射波穿过底角、即在示波器显示屏上显示一个最高位置为止，此时，声波入射点到机器零件或材料底面尖角处的距离为正射波法的波程，用S_1/2表示，入射点到垂直端面边缘的距离用P_1/2表示，荧光屏上，固定标尺的零点与底角反射波，即荧光屏上显示最高位置的距离为S_1/2屏，此时，将探头移至机器零件或材料进行探测缺陷，直到荧光屏上出现缺陷的脉冲波，这样就可计算出缺陷波程s：

s＝S_1/2S_伤屏/S_1/2屏

S_1/2＝P_1/2/sinγ

——精确确定缺陷存在的深度：

h＝s*cosγ

式中：s---声波自探测表面到缺陷的波程；

(3)精确确定被检机器零件或材料中的缺陷大小：脉冲消失法

在探测发生缺陷后，将超声波探头前后左右移动，找出缺陷波消失的位置a和b，然后用下式计算缺陷大小d

d＝L-2h*tanθ

式中：L---当缺陷消失时两探头位置(a、b)边缘间的距离；

      h---缺陷存在的深度；

      θ---声束的半扩散角；

(4)对机器零件或材料进行受力分析：根据上述三步，将探测出的各种缺陷进行几何化处理后，找出垂直于工作应力或服役时承受的外加应力这一方向的最大缺陷，查找工程构件所用材料的各种性能指标；

(5)对机器零件或材料进行无损评价估算：利用工程材料断裂力学进行计算

计算材料或构件在服役应力下存在裂纹的开裂尺寸a_c，

δ_f＝K_1c/Ya_c ^1/2

式中：δ_f——是工程构件服役时的外加应力(MPa)；

      K_1c——是工程构件所用的材料的断裂韧性(MPa·m^1/2)，

通过查找相关材料手册获得；

      Y——形状因子，取决于缺陷在材料中的位置和取向；

      a_c——是工程构件材料中的临界裂纹大小(m)；

估算机器零件或材料的剩余寿命

$N={\∫}_{a_0}^{a_c}\mathrm{da}/c{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^{-n}$

式中：N——是所含缺陷工程构件的寿命(即循环周次)；

      c，n——随材料而变化的常数；

      ΔK——工程材料裂纹尖端的应力场强度因子幅，通过构

件的服役状态分析获得；

a₀，a_c——工程构件中缺陷的起始尺寸和临界裂纹尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，其特征在于：所述精确确定被检机器零件或材料中的缺陷大小还可以采用如下方法：

——当量高度法

做一批不同大小和深度的人为缺陷试块，然后测其反射波高度，做出两条曲线：

由机器零件或材料缺陷波的高度来对比判断缺陷的面积和深度；

——脉冲半高度法

先测出缺陷对声束全反射的高度A，然后将探头作左右或前后移动，使缺陷波的高度为A/2，则此时缺陷的长度b与探头移动的距离L相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，其特征在于：所述超声波探头与所述被检机器零件或材料表面之间设有偶合剂，以确保超声波探头与所述被检机器零件或材料表面接触良好。

4.根据权利要求3所述的一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，其特征在于：所述偶合剂为润滑油材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于无损探伤探测机器零件或材料寿命的方法，其特征在于：在垂直探伤时，使用超声波纵波，在斜射探伤时使用超声波横波。

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