CN105698988B - 气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法 - Google Patents

气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105698988B
CN105698988B CN201610111236.1A CN201610111236A CN105698988B CN 105698988 B CN105698988 B CN 105698988B CN 201610111236 A CN201610111236 A CN 201610111236A CN 105698988 B CN105698988 B CN 105698988B
Authority
CN
China
Prior art keywords
longitudinal wave
critical refraction
refraction longitudinal
metal material
stress
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610111236.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105698988A (zh
Inventor
刘彬
缪文炳
吴绪磊
李瑞峰
王凤江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changshu intellectual property operation center Co.,Ltd.
Original Assignee
Jiangsu University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University of Science and Technology filed Critical Jiangsu University of Science and Technology
Priority to CN201610111236.1A priority Critical patent/CN105698988B/zh
Publication of CN105698988A publication Critical patent/CN105698988A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105698988B publication Critical patent/CN105698988B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/25—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons
    • G01L1/255—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons using acoustic waves, or acoustic emission
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法。优化双临界折射纵波探头的中心频率与传播距离，以临界折射纵波接收信号幅值为评价参数，结合“当量法”确定临界折射纵波检测深度，并加工深度恒定，直径不同的规则盲孔模拟内部气孔。利用压力可调控的探头夹持装置采集临界折射纵波信号，以临界折射纵波通过相同传播距离的时间差作为应力评价参量，建立各直径盲孔的临界折射纵波传播时间差与应力间关系，进而获得临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间关系式，实现气孔直径影响临界折射纵波评价应力的修正。本发明方法具有无损、快速等优点。

Description

气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法
技术领域
本发明涉及的是气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，具体来说涉及一种临界折射纵波评价应力的无损方法。
背景技术
工程机械装备关键零部件的失效是导致工程机械装备整体失效的主要原因，为减少人员伤亡以及安全事故的发生，在工程机械装备仍具有一定使用寿命时便将其报废。为此，我国每年都以废旧钢铁形式回收大量的钢铁类工程机械设备，并作为初级材料对其进行再加工制造，这不仅造成资源、能源的浪费以及环境污染，而且与我国坚持资源、环境和社会可持续发展的目标背道而驰。因而，探讨可实现工程机械装备关键零部件服役安全与质量的评价方法对其服役性能与寿命保障就显得极为重要。
材料失效分析理论表明，应力(工作应力或残余应力)是影响甚至决定工程机械装备关键零部件服役安全与质量的关键因素，因而探讨可实现应力评价的方法对工程机械装备关键零部件服役安全与质量的保障就显得极为重要。目前，应力评价方法可分为无损法与有损法两类。有损法是在破坏零部件整体使用性能基础上实现应力的评价，如弯曲法、小孔法等，该类方法虽可实现应力的评价，但存在一定问题，如不满足现场快速检测与在线评价要求，由于抽样检测不可避免为零部件服役安全与质量造成隐患；无损法是在保证零部件整体使用性能基础上实现应力的评价，如超声波法、光学法、射线法等。相对而言，光学法对检测环境要求极高，不便于现场检测，如云纹干涉法。射线法需配备专业的射线防护装置以防止操作人员身体健康受到危害，且设备价格昂贵。临界折射纵波是超声波法的一种，具有检测效率高、操作方便安全、适于现场检测及可实现在线检测等优点，且设备价格便宜，便于携带，因而在应力评价领域引起众多学者的关注。
目前，临界折射纵波法主要以完整单一材料为评价对象，忽略或不考虑材料缺陷对应力评价的影响，然而缺陷(尤其是内部不可见缺陷)是不可避免存在的，且缺陷不仅改变应力的分布，而且影响应力的数值。相关研究表明，工程机械装备关键零部件的失效往往是由缺陷与应力共同作用导致。因而，在临界折射纵波评价应力理论基础上，如能建立一套行之有效的对气孔直径影响临界折射纵波评价应力结果进行的修正方法不仅可保证临界折射纵波评价应力结果精度，而且可对工程机械装备关键零部件服役寿命的预测提供技术支撑。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，结合“当量法”，以规则盲孔模拟内部气孔，解决金属材料内部气孔缺陷及其尺寸对临界折射纵波评价应力的影响。
临界折射纵波法以超声波声弹性理论为基础，通过建立临界折射纵波传播速度与应力间对应关系即可实现应力的评价，但该效应是一种弱效应，一般而言，100MPa应力引起超声波在钢中传播速度的变化量约为0.01％，因而临界折射纵波传播速度的精确测量对应力评价结果就显得极为重要。为此，本发明以临界折射纵波通过固定传播距离的时间差代替临界折射纵波传播速度，通过建立临界折射纵波传播时间差与应力间关系，获得临界折射纵波声弹性系数，进而建立临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系，最终实现气孔直径影响临界折射纵波评价应力的修正。
一种气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，步骤如下：
步骤一，选择厚度大于3.0mm的金属材料调整临界折射纵波激发参数，选择探头激发模式，以临界折射纵波接收信号幅值为评价参数，选择临界折射纵波中心频率及其在试样中的传播距离；
所述的金属材料不包含衰减明显的金属材料；
所述的临界折射纵波中心频率在1.0～10MHz之间；
在所述的传播距离内，临界折射纵波信号幅值不小于其最大值的10％。
步骤二，在金属材料试样一侧加工宽度恒定、深度不同的规则矩形槽，固定临界折射纵波激发参数不变，调节探头激发模式，依次采集通过深度由小到大的矩形槽的临界折射纵波，直至临界折射纵波接收信号消失，记录该检测参数对应的矩形槽深度；
所述的规则矩形槽的宽度大于临界折射纵波在实验材料中的波长。
步骤三，确定盲孔深度、中心间距及与试样宽度边缘的间距，加工预制盲孔的非标准静载拉伸试样；
其中，盲孔中心间距不小于相邻盲孔直径和的3倍，与试样宽度边缘的间距不小于盲孔直径最大值的6倍。
步骤四，将预制盲孔的非标准静载拉伸试样竖直加持于静载拉伸试验机，依据金属材料力学性能设定相应的加载程序，安装临界折射纵波探头加持装置，调节临界折射纵波探头与金属材料试样间耦合状态，获得稳定的临界折射纵波；
所述加载程序的最大载荷不超过试样的屈服强度；
步骤五，缓慢加载，采集不同应力时各直径盲孔处金属材料试样的临界折射纵波，定义临界折射纵波参考信号与计算信号，获得各应力对应的临界折射纵波传播时间差，建立临界折射纵波传播时间差与应力间关系曲线；
所述的缓慢加载是加载速率不超过1kN/s；
步骤六，采用线性函数拟合对临界折射纵波传播时间差与应力结果进行拟合得到临界折射纵波声弹性系数，建立临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系；
所述的线性函数见式(Ⅰ)：
Δt＝k﹒σ 式(Ⅰ)；
其中Δt为临界折射纵波计算信号与参考信号间时间差(ns)，σ为Q235钢加载应力(MPa)。
步骤七，采用幂函数对临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径进行拟合，得到用于气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正公式；
所述的幂函数见式(Ⅲ)：
k＝a·Db 式(Ⅲ)
其中，k为临界折射纵波声弹性系数(ns/MPa)，D为盲孔直径(mm)，a与b为常数
根据修正公式可实现金属材料内部任意直径气孔影响临界折射纵波评价应力的修正。
附图说明
图1为本发明临界折射纵波评价应力系统的连接关系示意图；
图2是本发明的修正方法的步骤详解图；
图3为本发明盲孔直径分别为0.5mm(3a)与3.0mm(3b)时，不同应力下Q235钢临界折射纵波信号；
图4为本发明盲孔直径分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0mm时，Q235钢临界折射纵波传播时间差-应力关系曲线；
图5为本发明Q235钢临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
图1为本发明临界折射纵波评价应力系统的连接关系示意图，参照图1所示，超声波脉冲发射接收仪、数据采集设备、数字示波器、分析系统依次连接。
以热轧状态Q235钢为例对气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法进行描述，修正公式(临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间函数)得到过程如下：
步骤一、以厚度为6.0mm的热轧状态Q235钢为研究对象，调节超声波脉冲发射接收仪5072PR激发参数，选择单探头激发模式，以Q235钢试样棱边反射临界折射纵波信号幅值为评价参数，选择临界折射纵波中心频率为2.5MHz，每间隔10mm采集一次Q235钢试样棱边反射的临界折射纵波信号，直至临界折射纵波信号幅值降低为最大值的60％，定义该距离为临界折射纵波发射探头与接收探头的间距。
步骤二、采用线切割方法在Q235钢试样一侧加工宽度为3.0mm，深度在4.0～5.9mm间的系列规则矩形槽，间隔为0.1mm，选择超声波脉冲发射接收仪5072PR为双探头激发模式，将一对临界折射纵波探头放置于检测面矩形槽左右两侧，保持临界折射纵波激发参数恒定不变，依次采集各深度由小到大的矩形槽临界折射纵波，直至临界折射纵波接收信号幅值降低为0mV(即，临界折射纵波接收信号消失)，记录该矩形槽的深度。
步骤三、采用机加工方法获得尺寸为310×50×6mm3的Q235钢板试样，采用电火花打孔方法沿其宽度方向中心线加工深度为3.0mm，直径分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0mm的规则盲孔，其中盲孔中心间距为30mm，对其进行真空去应力退火处理获得预制盲孔非标准静载拉伸试样。
步骤四、将预制盲孔Q235钢非标准静载拉伸试样竖直加持于SANS-CMT5205电子万能试验机，安装临界折射纵波探头加持装置，释放初始夹持力，调节临界折射纵波探头与Q235钢试样间耦合压力，使得临界折射纵波信号幅值为满屏的80％。
步骤五、开启加载程序，以0.5kN/s缓慢加载至预定载荷，不卸载，沿平行于加载方向采集并存储盲孔处各应力的Q235钢临界折射纵波，直至达到预定载荷，停止加载，定义未加载时盲孔处Q235钢临界折射纵波为参考信号，其余应力时盲孔处临界折射纵波为计算信号，获得计算信号与参考信号间传播时间差，获得盲孔直径为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0mm对应的Q235钢临界折射纵波传播时间差与应力间关系曲线。
步骤六、采用线性函数对盲孔处Q235钢临界折射纵波传播时间差与应力进行拟合，得到盲孔直径为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0mm时临界折射纵波声弹性公式；
线性函数见式(Ⅰ)：
Δt＝k﹒σ 式(Ⅰ)
临界折射纵波声弹性公式，见式(Ⅱ)：
式(Ⅱ)
其中，Δt为临界折射纵波计算信号与参考信号间时间差(ns)，σ为Q235钢加载应力(MPa)。
步骤七、采用幂函数对临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径进行拟合，得到用于气孔直径影响临界折射纵波评价应力的修正公式，见式(Ⅵ)：
所述的幂函数见式(Ⅲ)
k＝a·Db 式(Ⅲ)
其中，k为临界折射纵波声弹性系数(ns/MPa)，D为盲孔直径(mm)，a与b为常数。
k＝0.2154·D-0.2327 (Ⅵ)
其中，k为临界折射纵波声弹性系数(ns/MPa)，D为盲孔直径(mm)。

Claims (6)

1.一种气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，步骤如下：
步骤一，选择厚度大于3.0mm的金属材料，以临界折射纵波接收信号幅值为评价参数，选取临界折射纵波中心频率及其在金属材料试样中的最佳传播距离，作为一发一收模式双临界折射纵波探头的制作参数；
步骤二，在金属材料试样一侧加工宽度恒定、深度不同的规则矩形槽，固定临界折射纵波激发参数不变，调节探头激发模式，依次采集通过深度由小到大的矩形槽的临界折射纵波，直至临界折射纵波接收信号消失，记录对应的矩形槽深度；
步骤三，在金属材料试样一侧加工深度恒定，直径不同的盲孔模拟金属材料内部气孔；确定盲孔深度、中心间距及与试样宽度边缘的间距；
步骤四，将预制盲孔的非标准静载拉伸试样竖直加持于静载拉伸试验机，依据金属材料力学性能设定相应的加载程序，安装临界折射纵波探头加持装置，调节临界折射纵波探头与金属材料试样间耦合状态，获得稳定的临界折射纵波；
步骤五，缓慢加载，采集不同应力时各直径盲孔处金属材料试样的临界折射纵波，定义临界折射纵波参考信号与计算信号，获得各应力对应的临界折射纵波传播时间差，建立临界折射纵波传播时间差与应力间关系曲线；
步骤六，采用线性函数拟合对临界折射纵波传播时间差与应力结果进行拟合得到临界折射纵波声弹性系数，建立临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系；所述的线性函数见式(Ⅰ)：
Δt＝k﹒σ 式(Ⅰ)；
其中Δt为临界折射纵波计算信号与参考信号间时间差，单位为ns，σ为金属材料加载应力，单位为MPa；
步骤七，采用幂函数对临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径进行拟合，得到用于气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正公式；
所述的幂函数见式(Ⅲ)
k＝a·Db 式(Ⅲ)
其中，k为临界折射纵波声弹性系数(ns/MPa)，D为盲孔直径，单位为mm，a与b为常数。
2.根据权利要求1所述的气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，其特征在于步骤一中，所述的金属材料不包含衰减明显的金属材料；所述的临界折射纵波中心频率在1.0～10MHz之间；在所述的传播距离内，临界折射纵波信号幅值不小于其最大值的10％。
3.根据权利要求1所述的气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，其特征在于步骤二中，所述的规则矩形槽的宽度大于临界折射纵波在实验材料中的波长。
4.根据权利要求1所述的气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，其特征在于步骤三中，其中，盲孔中心间距不小于相邻盲孔直径和的3倍，与试样宽度边缘的间距不小于盲孔直径最大值的6倍；盲孔深度与临界折射纵波全反射对应的矩形槽深度相同。
5.根据权利要求1所述的气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，其特征在于步骤四中，所述加载程序的最大载荷不超过试样的屈服强度。
6.根据权利要求1所述的气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，其特征在于步骤五中，所述的缓慢加载是加载速率不超过1kN/s。
CN201610111236.1A 2016-02-29 2016-02-29 气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法 Active CN105698988B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610111236.1A CN105698988B (zh) 2016-02-29 2016-02-29 气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610111236.1A CN105698988B (zh) 2016-02-29 2016-02-29 气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105698988A CN105698988A (zh) 2016-06-22
CN105698988B true CN105698988B (zh) 2018-04-13

Family

ID=56223471

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610111236.1A Active CN105698988B (zh) 2016-02-29 2016-02-29 气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105698988B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106595926A (zh) * 2016-11-14 2017-04-26 江苏科技大学 晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法
CN111337171B (zh) * 2020-04-03 2023-04-28 北京工商大学 一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4299128A (en) * 1980-04-21 1981-11-10 Gruber George J Ultrasonic satellite-pulse technique for characterizing defects of arbitrary shape
DE3789869T2 (de) * 1987-06-08 1994-12-22 Hitachi Construction Machinery Verfahren zur messung der tiefe von oberflächenunebenheitsfehlern eines festen materials unter verwendung von ultraschallwellen.
US5804727A (en) * 1995-09-01 1998-09-08 Sandia Corporation Measurement of physical characteristics of materials by ultrasonic methods
CN201210151Y (zh) * 2008-06-12 2009-03-18 浙江师范大学 材料内部应力超声波检测装置
CN101320018B (zh) * 2008-07-21 2010-12-08 哈尔滨工业大学 基于焊接结构残余应力超声波无损测量装置的超声波无损测量方法
CN102183458B (zh) * 2010-12-30 2013-01-09 北京理工大学 一种残余应力的测量方法和测量系统
CN102435674B (zh) * 2011-09-16 2013-03-27 国家电网公司 一种检测金属部件母材内壁裂纹及腐蚀缺陷的方法
CN102636303B (zh) * 2012-04-12 2013-12-18 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种基于表面超声波测定薄镀层残余应力的方法
CN103901106A (zh) * 2014-03-12 2014-07-02 江苏科技大学 一种基于临界折射纵波的熔覆层应力无损评价方法
CN104807566B (zh) * 2015-05-22 2017-04-19 厦门大学 基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105698988A (zh) 2016-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11156587B2 (en) Flexible sensor with piezoelectric array applied for weld defect detection based on feature guided waves and its testing method
CN111044613B (zh) 一种基于非线性Lamb波的金属板微缺陷检测方法
CN103529128B (zh) 一种疲劳裂纹在线检测系统及检测方法
CN104142195A (zh) 基于超声波法的钢结构构件内部初始应力检测装置和方法
CN105628610A (zh) 基于界面断裂韧性评价涂层结合强度的集成设备及检测方法
CN102954914A (zh) 真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法
CN110346453B (zh) 一种混凝土结构内缺陷小排列反射回波快速检测方法
CN202886202U (zh) 真三轴试验超声波和声发射测试系统
KR101955440B1 (ko) 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치
CN103852492A (zh) 基于压电陶瓷的预应力管道压浆密实性监测方法
CN103901106A (zh) 一种基于临界折射纵波的熔覆层应力无损评价方法
CN104181235A (zh) 一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置
CN101539540B (zh) 钢管杆埋藏部分杆身腐蚀的超声导波检测方法
CN105424804A (zh) 一种再制造复合材质零件缺陷超声检测方法
CN105698988B (zh) 气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法
CN203385699U (zh) 一种检测残余应力与结构缺陷的系统
CN106949861A (zh) 一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法
CN105823582B (zh) 一种大曲率构件表层残余应力短声程超声无损探头
CN105738017B (zh) 元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正方法
CN101419194A (zh) 水浸横波法检测异型管件损伤的装置及其损伤检测方法
CN202083674U (zh) 大型热态铸锻件热处理裂纹在线检测装置
CN103926324A (zh) 一种超声表面波检测主汽管道蠕变损伤的方法
CN103954628B (zh) 联合eemd和近似熵的钢管损伤监控方法
CN103837596A (zh) 一种t型可调节式特征导波焊缝检测装置
Trelinski Inspection of CANDU reactor pressure tubes using ultrasonics

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20201022

Address after: 215500 No.13, Caotang Road, Changshu, Suzhou, Jiangsu Province

Patentee after: Changshu intellectual property operation center Co.,Ltd.

Address before: Meng Xi Road 212003 Zhenjiang city of Jiangsu province Jingkou District No. 2

Patentee before: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

CP02 Change in the address of a patent holder
CP02 Change in the address of a patent holder

Address after: 215500 5th floor, building 4, 68 Lianfeng Road, Changfu street, Changshu City, Suzhou City, Jiangsu Province

Patentee after: Changshu intellectual property operation center Co.,Ltd.

Address before: No.13 caodang Road, Changshu City, Suzhou City, Jiangsu Province

Patentee before: Changshu intellectual property operation center Co.,Ltd.