CN103713052A - 一种采用非线性超声技术测量q345低合金钢屈服强度的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，本发明涉及测量Q345低合金钢屈服强度的方法。本发明是要解决传统测量钢屈服强度的方法具有破坏性，测量速度慢的问题而提出的一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法。该方法是通过步骤一、制备n组不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样；步骤二、计算n组非线性超声二次因子β；步骤三、测定n组Q345低合金钢屈服强度值；步骤四、拟合曲线图；步骤五、测定任意Q345低合金钢的屈服强度值；本发明应用于测量Q345低合金钢屈服强度领域。

Description

一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量Q345低合金钢屈服强度的方法。

背景技术

屈服强度是材料所能承受的不发生永久变形的最大载荷，是用于评估结构强度的最重要指标之一，受到材料化学成分、微观组织结构和机械形变状态的影响。拉伸（压缩）力学性能试验是确定材料屈服强度的根本方法，具有完备的理论依据和严格的科学定义。

拉伸（压缩）力学性能试验方法需要制备标准试样，对材料产生破坏，其测定值仅严格代表被测试样的屈服强度。在工程质量控制应用中，该方法基于同样化学成分和工艺条件下生产出来的材料具有相同的屈服强度的假设，依据概率学原理选取部分构件材料进行测试，并以该测定值代表该批材料的屈服强度。然而，实际生产过程中热处理工艺参数会发生波动，实际使用过程中载荷与环境作用也会导致材料的机械形变状态发生变化，从而改变材料的屈服强度，影响了拉伸（压缩）试验方法的可靠性。

此外，拉伸（压缩）试验方法具有破坏性，无法在材料的生产过程中对全部材料进行检测，只能进行抽样，测试数据仅仅是精确反映被抽取的试样的屈服强度，而真正要投入使用的材料屈服强度则是被推测出来的，也无法用于在材料检测，限制了其应用范围。拉伸（压缩）试验方法过程包括制样、拉伸、数据和处理等步骤，测试速度慢也是其不足之一。

为了弥补拉伸（压缩）试验方法的这些不足，业界和研究机构先后发明了微小试样类方法、循环硬度测试法等方法。这些方法利用外载荷使材料表面微小的区域发生屈服，实现对材料屈服强度的测定，在一定程度上弥补了拉伸（压缩）试验方法覆盖范围和测试效率的不足。但是，这些方法仍然会对材料产生微小损伤，测定速度慢，并且由于测定的只是材料体上的极小部分，与材料整体的屈服性能可能会存在较大差值。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有拉伸（压缩）试验方法测试材料的屈服强度时，对材料具有具有破坏性，无法在材料的生产过程中对全部材料进行检测及微小试样类方法、循环硬度测试法等方法测定速度慢的问题，而提供的一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、制备n组不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样；

步骤二、对步骤一制备的n组不同冷作硬化程度的尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样分别进行非线性超声测量，计算出n组非线性超声二次因子β；

步骤三、测定步骤一制备的n组具有不同程度冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值；

步骤四、将步骤二测算的n组非线性超声二次因子β与步骤三测定的n组标准Q345低合金钢试样的屈服强度值一一对应拟合成曲线图；

步骤五、对任意Q345低合金钢进行非线性超声测量，计算出二次因子β，将计算出的二次因子β带入步骤四获得的曲线图中确定被测Q345低合金钢的屈服强度值；即完成了一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法。

发明效果：

本发明提出的一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，得益于电子技术的发展，非线性超声检测技术获得了快速进步，在材料早期损伤评估、疲劳度检测等领域获得了成功应用。非线性超声技术是指当超声波频率与幅值超过一定程度，将会与金属材料中位错等晶格缺陷发生显著的相互作用，从而激发出能够检测到的二次及以上谐波信号，通过分析这些谐波信号特征获得材料早期损伤状态和力学性能的技术。在大量研究的基础上，本发明提出采用非线性超声技术，进行完全无损伤的材料屈服强度检测，克服了以上所述屈服强度检测方法的不足，具有能够反映材料整体屈服强度性能、测定速度较传统方法提高了24倍，能实现自动化等优点，为实现材料屈服强度的生产期和在用期全覆盖检测提供了技术基础。

附图说明

图1是具体实施方式一中提出的一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法流程图；

图2是Q345低合金钢屈服强度非线性超声波测试方法示意图；其中，1为厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样，2为宽频直探头，3为信号放大器，4为数字式示波器，5为电脑，6为非线性超声波发生器，7为低通滤波器，8为单频直探头；

图3是β因子与屈服强度关系曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法按以下步骤实现：

步骤一、制备n组不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样；

步骤二、对步骤一制备的n组不同冷作硬化程度的尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样分别进行非线性超声测量，计算出n组非线性超声二次因子β；

步骤三、测定步骤一制备的n组具有不同程度冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值；

步骤四、将步骤二测算的n组非线性超声二次因子β与步骤三测定的n组标准Q345低合金钢试样的屈服强度值一一对应拟合成曲线图；

步骤五、对任意Q345低合金钢进行非线性超声测量，计算出二次因子β，将计算出的二次因子β带入步骤四获得的曲线图中确定被测Q345低合金钢的屈服强度值；即完成了一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法如图1。

本实施方式效果：

本实施方式提出的一种采用非线性超声技术测量Q345钢屈服强度的方法，得益于电子技术的发展，非线性超声检测技术获得了快速进步，在材料早期损伤评估、疲劳度检测等领域获得了成功应用。非线性超声技术是指当超声波频率与幅值超过一定程度，将会与金属材料中位错等晶格缺陷发生显著的相互作用，从而激发出能够检测到的二次及以上谐波信号，通过分析这些谐波信号特征获得材料早期损伤状态和力学性能的技术。在大量研究的基础上，本实施方式提出采用非线性超声技术，进行完全无损伤的材料屈服强度检测，克服了以上所述屈服强度检测方法的不足，具有能够反映材料整体屈服强度性能、测定速度较传统方法提高了24倍，能实现自动化等优点，为实现材料屈服强度的生产期和在用期全覆盖检测提供了技术基础。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中制备不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样方法为：

选择n组厚×宽×长的尺寸为20mm×80mm×300mm的长条形Q345低合金钢试样，利用拉伸试验机将这n组Q345低合金钢试样进行拉伸，以获得厚度由20mm～12mm的n组Q345低合金钢试样，其中变形后试样厚度为原始厚度的100%～60%；然后将n组Q345低合金钢试样通过机械加工的方法制成n组不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样；其中n≥6。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中计算出非线性超声二次因子β方法为如图2：

（1）由计算机发出指令通知非线性超声波发生器；超声波发生器接到指令后发出连续5个周期以上的频率为2MHz～5MHz的正弦或余弦电信号；

（2）由超声波发生器传来的电信号经过低通滤波器过滤掉20MHz以上频率波；

（3）过滤后的电信号达到发射端的单频直探头，单频直探头利用压电效应将电信号转化为机械超声波，机械超声波通过单频直探头与被测标准Q345低合金钢的接触界面传入标准Q345低合金钢拉伸试样，其中单频直探头频率为f=2～5MHz；

（4）通过标准Q345低合金钢拉伸试样的超声波，被中心频率为2倍直探头频率的宽频直探头接收，并被宽频直探头转化为电信号，其中宽频直探头中心频率为2f；

（5）宽频直探头转化的电信号经过14dB信号放大器进行放大处理，转换成约±2v大小，之后进入数字式示波器进行傅里叶变换将时域信号转变为范围覆盖发射频率以及2倍范围覆盖发射频率的频域信号；

（6）通过电脑记录数字式示波器采集到的频域信号，并用电脑测量发射频率和2倍发射频率对应的频域信号幅值（电压值），将频域信号幅值带入公式（1）计算出非线性超声二次因子β；

$\mathrm{\β}=\frac{8}{k^{2}x}\left(\frac{A_2}{A_1^2}\right)---\left(1\right)$

式中：

k———波数；

x———超声波传播距离或试件厚度；

A₁———发射频率对应频域信号幅值；

A₂———2倍发射频率对应频域信号幅值；

其中，每个具有不同冷作硬化程度的Q345低合金钢都有相对应的非线性超声二次因子β与屈服强度值。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中测定n组具有不同程度冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值的过程为：将测定步骤一制备的n组具有不同冷作硬化程度的Q345低合金钢标准拉伸试样依照国家标准《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验》测定n组具有不同冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中拟合成曲线图的横坐标为步骤二计算的n组非线性超声二次因子β，纵坐标为步骤三测定的n组标准Q345低合金钢试样的屈服强度值。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、制备6组不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样；

选择六组厚×宽×长的尺寸为20mm×80mm×300mm的长条形Q345低合金钢试样，利用拉伸试验机将这六组Q345低合金钢试样进行拉伸冷作变形，拉伸后获得厚度分别为20mm、18.4mm、16.8mm、15.2mm、13.6mm、12mm共六组Q345低合金钢毛坯试样，然后将这六组Q345低合金钢毛坯试样通过机械加工的方法加工成尺寸为10mm×40mm×300mm标准Q345低合金钢拉伸试样；

步骤二、将步骤一制备的六组不同冷作硬化程度的尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样分别进行非线性超声测量，计算出6组非线性超声二次因子β；

（1）由计算机发出指令通知超声波发生器；超声波发生器接到指令后发出连续5个周期以上的频率为2MHz～5MHz的正弦（或余弦）电信号；

（2）由超声波发生器传来的电信号经过低通滤波器过滤掉20MHz以上频率波；

（3）过滤后的电信号达到发射端的单频直探头，单频直探头利用压电效应将电信号转化为机械超声波，机械超声波通过单频直探头与被测标准Q345低合金钢的接触界面传入标准Q345低合金钢拉伸试样，其中单频直探头频率为f=2～5MHz；

（4）通过标准Q345低合金钢拉伸试样的超声波，被中心频率为2倍直探头频率的宽频直探头接收，并被宽频直探头转化为电信号，其中宽频直探头中心频率为2f；

（5）由宽频直探头产生的电信号经过14dB信号放大器进行放大处理，转换成约±2v大小，之后进入数字式示波器进行傅里叶变换，将时域信号转变为范围覆盖发射频率以及2倍范围覆盖发射频率的频域信号；

（6）通过电脑记录数字式示波器采集到的频域信号，并用电脑测量发射频率和2倍发射频率对应的频域信号幅值（电压值），将频域信号幅值带入公式（1）计算出非线性超声二次因子β；

$\mathrm{\β}=\frac{8}{k^{2}x}\left(\frac{A_2}{A_1^2}\right)---\left(1\right)$

式中：

k———波数；

x———超声波传播距离（试件厚度）；

A₁———发射频率对应频域信号幅值；

A₂———2倍发射频率对应频域信号幅值；

其中，每个具有不同冷作硬化程度的Q345低合金钢都有相对应的非线性超声二次因子β与屈服强度值；

步骤三、依据国家标准《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验》测定步骤一制备的六组具有不同程度冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值；

其中六组Q345低合金钢的二次因子β与屈服强度值如下表所示：

步骤四、将步骤二计算的六组非线性超声二次因子β与步骤三测定的六组Q345低合金钢材料的屈服强度值一一对应拟合成曲线图如图3；其中拟合成曲线图的横坐标为步骤二计算的6组非线性超声二次因子β，纵坐标为步骤三测定的6组标准Q345低合金钢试样的屈服强度值；根据步骤二计算的六组非线性超声二次因子β与步骤三测定的六组Q345低合金钢材料的屈服强度值一一对应拟合成曲线图，计算成曲线公式：

σ=634.135x³-4463.002x²+10551.3105x-7801.392

其中，σ为Q345低合金钢的屈服强度值；

步骤五、对任意Q345低合金钢进行非线性超声测量，计算出二次因子β，将计算出的二次因子β带入图3中确定被测Q345低合金钢的屈服强度值；

本方法采用非线性超声技术测量Q345钢屈服强度所用的时间为5min，而传统方法测量Q345钢屈服强度所用时间为2h左右，因此采用本方法测定速度较传统方法提高了24倍。

Claims (5)

1.一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，其特征在于一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、制备n组不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样；

步骤二、对步骤一制备的n组不同冷作硬化程度的尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样分别进行非线性超声测量，计算出n组非线性超声二次因子β；

步骤三、测定步骤一制备的n组具有不同程度冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值；

步骤四、将步骤二测算的n组非线性超声二次因子β与步骤三测定的n组标准Q345低合金钢试样的屈服强度值一一对应拟合成曲线图；

步骤五、对任意Q345低合金钢进行非线性超声测量，计算出二次因子β，将计算出的二次因子β带入步骤四获得的曲线图中确定被测Q345低合金钢的屈服强度值；即完成了一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法。

2.根据权利要求1所述一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，其特征在于步骤一中制备不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样方法为：

选择n组厚×宽×长的尺寸为20mm×80mm×300mm的长条形Q345低合金钢试样，利用拉伸试验机将这n组Q345低合金钢试样进行拉伸，以获得厚度由20mm～12mm的n组Q345低合金钢试样，然后将n组Q345低合金钢试样通过机械加工的方法制成n组不同冷作硬化程度的厚×宽×长尺寸为10mm×40mm×300mm的标准Q345低合金钢拉伸试样；其中n≥6。

3.根据权利要求1所述一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，其特征在于步骤二中计算出非线性超声二次因子β方法为：

（1）由计算机发出指令通知非线性超声波发生器；超声波发生器接到指令后发出连续5个周期以上的频率为2MHz～5MHz的正弦或余弦电信号；

（2）由超声波发生器传来的电信号经过低通滤波器过滤掉20MHz以上频率波；

（3）过滤后的电信号达到发射端的单频直探头，单频直探头利用压电效应将电信号转化为机械超声波，机械超声波通过单频直探头与被测标准Q345低合金钢的接触界面传入标准Q345低合金钢拉伸试样，其中单频直探头频率为f=2～5MHz；

（4）通过标准Q345低合金钢拉伸试样的超声波，被中心频率为2倍直探头频率的宽频直探头接收，并被宽频直探头转化为电信号，其中宽频直探头中心频率为2f；

（5）宽频直探头转化的电信号经过14dB信号放大器进行放大处理，之后进入数字式示波器进行傅里叶变换将时域信号转变为范围覆盖发射频率以及2倍范围覆盖发射频率的频域信号；

（6）通过电脑记录数字式示波器采集到的频域信号，并用电脑测量发射频率和2倍发射频率对应的频域信号幅值，将频域信号幅值带入公式（1）计算出非线性超声二次因子β；

$\mathrm{\β}=\frac{8}{k^{2}x}\left(\frac{A_2}{A_1^2}\right)---\left(1\right)$

式中：

k———波数；

x———超声波传播距离或试件厚度；

A₁———发射频率对应频域信号幅值；

A₂———2倍发射频率对应频域信号幅值；

其中，每个具有不同冷作硬化程度的Q345低合金钢都有相对应的非线性超声二次因子β与屈服强度值。

4.根据权利要求1所述一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，其特征在于步骤三中测定n组具有不同程度冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值的过程为：将测定步骤一制备的n组具有不同冷作硬化程度的Q345低合金钢标准拉伸试样，依照国家标准《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验》测定n组具有不同冷作硬化程度的Q345低合金钢屈服强度值。

5.根据权利要求1所述一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法，其特征在于步骤四中拟合成曲线图的横坐标为步骤二计算的n组非线性超声二次因子β，纵坐标为步骤三测定的n组标准Q345低合金钢试样的屈服强度值。

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