CN110646119B - 一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其步骤如下：S1、标定取向角x与零应力声时t0的关系曲线；S2、标定拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||和垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥；S3、在待测工件表面上每隔Δβ取向角放置超声探头，得到
Figure DDA0002221214270000011
组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射波传播时间t(j·Δβ)，S4、记待测工件的表面应力张量的两互相垂直主应力分别为σ1、σ2，σ1与轧制方向所成角度为θ，根据关系式，得到
Figure DDA0002221214270000012
个非线性三元方程组S5、求解步骤S4的非线性三元方程组，得到
Figure DDA0002221214270000013
个元素的解集
Figure DDA0002221214270000014
计算所述
Figure DDA0002221214270000015
个元素的解集中心点，得到待测工件表面的应力张量[σ1σ2θ]。该方法能简便快捷、低成本，高精度地测量轧制金属工件浅表面应力张量。

Description

一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法
技术领域
本发明涉及一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，属于超声波无损检测技术领域。
背景技术
金属材料在机械制造过程中不可避免地会产生塑性应变，导致残余应力，同时在工件服役过程中，工件的内部受到老化或外部载荷的影响，应力将发生变化。测量工件表面应力不仅能为结构服役的安全评价提供数据支撑，而且还能在此基础上改进生产工艺和构件加工方法从而进一步延长工件的使用寿命，降低生产运营成本。
物体内的应力检测技术有很多种，根据是否破坏被检测物体，可细分为三大类：有损检测、微损伤检测和无损检测有损检测和微有损检测又称为机械检测方法，其中钻孔法应用最为普遍。无损检测则是用非破坏性的物理方法对构件应力进行检测，主要包括X射线衍射法、光弹性法、涡流法和超声波法等方法。其中X射线法，超声法在轨道交通领域应用最为普遍。
超声波测量残余应力是基于声弹性理论，当构件受到力作用时会导致超声波在材料内部的传播速度、超声频率、振幅、相位和能量等参量的变化，通过对构件内超声波这些参量的测量，根据相关模型可间接求出构件内部的应力值。
在现有的超声波残余应力测量技术中，假定测量方向为主应力方向，但实际的工程应用中对应力控制要求高的工件应力场分布复杂导致难以确定主应力方向，如压力容器、高铁转向架、轨道列车车体等。而在工程结构的可靠性评估领域，准确获得危险位置的主应力大小和方向，是计算工程结构使用寿命、安全性的先决条件；同时现有技术均假定被测材料为各向同性材料，但对于轧制金属材料而言，由于轧制过程使得轧制方向晶粒被拉长，材料性能发生改变，所以轧制金属材料属于各向异性材料，现有技术无法对其表面应力张量进行测量，故快速无损地测量轧制金属材料表面的应力张量具有极大的工程应用价值。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，该方法能简便快捷、低成本，高精度地测量轧制金属工件浅表面应力张量。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其步骤如下：
S1、沿轧制方向制作与待测工件相同材料的零应力的拉伸试样，在拉伸试样表面沿不同取向角x放置超声探头，进行超声波应力测试，得到不同取向角x所对应的零应力声时t0，通过对多组取向角x及其所对应的零应力声时t0进行拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线；记取向角x所对应的零应力声时记为t0(x)；
所述取向角x为与扎制方向所呈角度(本发明中所述角度均为锐角夹角)，所述零应力声时t0为临界折射波在试样零应力状态下的传播时间；
S2、将步骤S1所制备的拉伸试样夹持在拉伸机上，分别沿轧制方向和垂直于扎制方向放置超声探头，在零应力及不同应力加载状态下进行超声波应力测试，标定所述拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||和垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥；
S3、在待测工件表面上沿扎制方向，每隔Δβ取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，得到
Figure GDA0002506681600000021
组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射波传播时间t(j·Δβ)，
Figure GDA0002506681600000022
S4、记待测工件的表面应力张量的两互相垂直主应力分别为σ1、σ2，σ1与轧制方向所成角度为θ，根据步骤S1-S2得到的取向角x与零应力声时t0的关系曲线、拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||、拉伸试样垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥和步骤S3得到的
Figure GDA0002506681600000023
组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射波传播时间t(j·Δβ)，代入以下关系式，得到
Figure GDA0002506681600000024
个非线性三元方程组：
Figure GDA0002506681600000025
S5、求解步骤S4的非线性三元方程组，得到
Figure GDA0002506681600000026
个元素的解集
Figure GDA0002506681600000027
Figure GDA0002506681600000028
计算所述
Figure GDA0002506681600000029
个元素的解集中心点，得到待测工件表面的应力张量[σ1 σ2 θ]。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有超声波表面应力测量技术建立在各向同性材料上，该种材料均假定各个方向上声速一致，但对于轧制金属这种各向异性材料，其不同方向上的声速不一致，现有技术并不适用轧制金属的表面应力测量，而本发明专利通过建立取向角和临界折射波传播时间的关系，对现有技术进行了修正，使其适用于轧制金属的表面应力测量。
现有技术使用一组方程组求解得到应力张量，但考虑到应力测量过程对操作人员素质要求较高，容易引入误差(如：按压力度，耦合等)，而现有技术无法排除该种误差，为此本发明专利采用求解多组方程得到应力张量解集，并提出一种异常点判别方法，自动对异常点进行剔除，再求其有效数据解集中心点的方式来消除误差，提高了应力测量精度，同时降低了对操作人员的要求。
进一步，本发明在所述S1步骤中，在拉伸试样表面沿不同取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，得到不同取向角所对应的零应力声时，通过对多组取向角及其所对应的零应力声时进行拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线的具体方法是：
S11、在拉伸试样表面沿扎制方向，每隔△α取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，超声波接收探头采集每个取向角x，x＝i·Δα所对应的零应力状态测量波形wt0(x)，
Figure GDA0002506681600000031
S12、对所采集的每个取向角x所对应的零应力状态测量波形wt0(x)进行降噪处理，计算每个取向角x所对应的零应力声时t0(x)，得到
Figure GDA0002506681600000032
组取向角x所对应的零应力声时t0(x)；
S13、通过对
Figure GDA0002506681600000033
组取向角及其所对应的零应力声时进行插值拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线。
更进一步，本发明在所述步骤S11中0°<Δα<15°。
现有超声波表面应力测量技术建立在各向同性材料上，该种材料均假定各个方向上声速一致，但对于各向异性材料不同方向上的声速不一致，现有技术并不适用，而本发明通过建立取向角x与零应力声时t0的关系曲线对该误差进行了修正；同时0°<Δα<15°使得取向角x取值不少于6组，保证了取样点数，有利于精确建立取向角x与零应力声时t0的关系曲线。
进一步，本发明在所述S3步骤中，6°≤Δβ<22.5°。
根据现有试验表明，当应力张量解集的元素数小于3个时，该方法测量精度较差；当元素数大于14个后，该方法测量速度较慢；而当应力张量解集的元素数在3到14个之间时，可兼顾测量精度和测量速度，因此Δβ取值为6°≤Δβ<22.5°。
进一步，本发明在S5步骤中，计算所述
Figure GDA0002506681600000034
个元素的解集中心点的步骤为：
S51、确定用于计算中心点的有效元素
Figure GDA0002506681600000035
和有效元素数N，n＝1,2,...,N，有效元素即为解集中参与计算解集中心点的元素；
第一次计算过程中，有效元素为步骤S4得到的
Figure GDA0002506681600000036
个元素的解集
Figure GDA0002506681600000037
有效元素数
Figure GDA0002506681600000038
后续计算过程中，每剔除一个异常点，则参与计算中心点的有效元素就会减少一个；
S52、计算N个有效元素的中心点
Figure GDA0002506681600000039
公式如下：
Figure GDA00025066816000000310
S53、若N＝2，则以步骤S52得到中心点为解集中心点；
若N≥3，则进行步骤S54-S57；
S54、计算解集中各有效元素到所述中心点的距离，公式如下：
Figure GDA0002506681600000041
disted n为解集中第n个有效元素
Figure GDA0002506681600000042
到中心点的距离，并取其中的最大值，记为distedmax(N)；
S55、计算解集中所有有效元素到中心点距离的平均值
Figure GDA0002506681600000043
和标准差
Figure GDA0002506681600000044
并计算distedmax(N)的偏离值
Figure GDA0002506681600000045
S56、若distedmax(N)的偏离值E(N)大于显著性水平经验值err(N)，则进行步骤S57；若distedmax(N)的偏离值E(N)小于或等于显著性水平经验值err(N)，则取步骤S52计算得到的中心点
Figure GDA0002506681600000046
为解集中心点；
S57、将偏离值E(N)大于显著性水平经验值err(N)的最大值distedmax(N)对应的元素视为异常点进行剔除，剩余的元素为有效元素；重复步骤S51-S56，直至得到解集中心点。
所述显著性水平经验值err(N)取值通过Crubbs检验临界值表确定，如下表所示：
N 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
err(N) 1.155 1.492 1.749 1.944 2.097 2.231 2.323 2.41 2.485 2.55 2.607 2.659
现有技术使用一组方程组求解得到应力张量，但考虑到应力测量过程对操作人员素质要求较高，容易引入误差(如：按压力度，耦合等)，而现有技术无法排除该影响。本发明基于Crubbs检验算法，结合本发明技术方案进行改进，引入距离公式通过对距离进行Crubbs检验排除距离异常点，从而实现多维数据的异常点检测，通过多次计算剔除偏离值大的异常点，求解排除异常点后数据的解集中心点，计算结果更加可靠，消除了异常点带来的误差，提高了应力测量精度，同时降低了对操作人员的要求。
下面通过具体实施方式及附图对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为发明实施例步骤S1中超声探头放置位置示意图。
图2为本发明实施例步骤S2中沿轧制方向的超声探头的放置位置示意图。
图3为本发明实施例步骤S2中垂直于轧制方向的超声探头放置位置示意图。
图4为本发明实施例测量轧制铝合金多边形拉伸试样应力张量的测量示意图。
图中，1为零应力的拉伸试样，2为超声探头，A为测试区域，B为探头放置方向。
具体实施方式
实施例
一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，本例中所述待测工件为不同加载力下轧制铝合金多边形拉伸试样，测量步骤如下：
S1、沿轧制方向制作与待测工件相同材料的零应力的拉伸试样(沿轧制方向制作拉伸试样是指拉伸试样的拉伸方向，即进行拉伸试验时的应力加载方向与材料轧制方向相同，)，如图1所示，在拉伸试样表面沿不同取向角x放置超声探头，进行超声波应力测试，得到不同取向角x所对应的零应力声时t0，通过对多组取向角x及其所对应的零应力声时t0进行拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线；记取向角x所对应的零应力声时记为t0(x)；
所述取向角x为与扎制方向(拉伸方向)所呈角度，所述零应力声时t0为临界折射波在试样零应力状态下的传播时间；
S2、将步骤S1制备的零应力的拉伸试样夹持在拉伸机上，分别沿轧制方向和垂直于扎制方向放置超声探头，在零应力及不同应力加载状态下(应力加载方向为轧制方向)进行超声波应力测试，标定所述拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||和垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥；
图2和图3为本例沿轧制方向和垂直于轧制方向超声探头的放置位置示意图。
S3、在待测工件表面上沿扎制方向，每隔Δβ取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，如图4所示，得到
Figure GDA0002506681600000051
组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射波传播时间t(j·Δβ)，
Figure GDA0002506681600000052
6°≤Δβ<22.5°；本例中，Δβ＝10°，
Figure GDA0002506681600000053
图4为本例测量轧制铝合金多边形拉伸试样应力张量的测量示意图。
S4、记待测工件的表面应力张量的两互相垂直主应力分别为σ1、σ2，σ1与轧制方向所成角度为θ，根据步骤S1-S2得到的取向角x与零应力声时t0的关系曲线、拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||、拉伸试样垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥和步骤S3得到的
Figure GDA0002506681600000054
组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射波传播时间t(j·Δβ)，代入以下关系式，得到
Figure GDA0002506681600000055
个非线性三元方程组：
Figure GDA0002506681600000056
S5、求解步骤S4的非线性三元方程组，得到
Figure GDA0002506681600000057
个元素的解集
Figure GDA0002506681600000058
Figure GDA0002506681600000059
计算所述
Figure GDA00025066816000000510
个元素的解集中心点，得到待测工件表面的应力张量[σ1 σ2 θ]，本例中，
Figure GDA00025066816000000511
本例S1步骤中，在拉伸试样表面沿不同取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，得到不同取向角所对应的零应力声时，通过对多组取向角及其所对应的零应力声时进行拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线的具体方法是：
S11、在拉伸试样表面沿扎制方向，每隔△α取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，0°<Δα<15°；超声波接收探头采集每个取向角x，x＝i·Δα所对应的零应力状态测量波形wt0(x)，
Figure GDA0002506681600000061
本例中，△α＝5°，
Figure GDA0002506681600000062
S12、对所采集的每个取向角x所对应的零应力状态测量波形wt0(x)进行降噪处理，计算每个取向角x所对应的零应力声时t0(x)，得到
Figure GDA0002506681600000063
组取向角x所对应的零应力声时t0(x)；
S13、通过对
Figure GDA0002506681600000064
组取向角及其所对应的零应力声时进行插值拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线。
本例S5步骤中，计算所述
Figure GDA0002506681600000065
个元素的解集中心点的步骤为：
S51、确定用于计算中心点的有效元素
Figure GDA0002506681600000066
和有效元素数N，n＝1,2,...,N；
第一次计算过程中，有效元素为步骤S4得到的
Figure GDA0002506681600000067
个元素的解集
Figure GDA0002506681600000068
有效元素数
Figure GDA0002506681600000069
后续计算过程中，每剔除一个异常点，则参与计算中心点的有效元素就会减少一个；
S52、计算N个有效元素的中心点
Figure GDA00025066816000000610
公式如下：
Figure GDA00025066816000000611
S53、若N＝2，则以步骤S52得到中心点为解集中心点；
若N≥3，则进行步骤S54-S57；
S54、计算解集中各有效元素到所述中心点的距离，公式如下：
Figure GDA00025066816000000612
disted n为解集中第n个有效元素
Figure GDA00025066816000000613
到中心点的距离，并取其中的最大值，记为distedmax(N)；
S55、计算解集中所有有效元素到中心点距离的平均值
Figure GDA00025066816000000614
和标准差
Figure GDA00025066816000000615
并计算distedmax(N)的偏离值
Figure GDA0002506681600000071
S56、若distedmax(N)的偏离值E(N)大于显著性水平经验值err(N)，则进行步骤S57；若distedmax(N)的偏离值E(N)小于或等于显著性水平经验值err(N)，则取步骤S52计算得到的中心点
Figure GDA0002506681600000072
为解集中心点；
S57、将偏离值E(N)大于显著性水平经验值err(N)的最大值distedmax(N)对应的元素视为异常点进行剔除，剩余的元素为有效元素；重复步骤S51-S56，直至得到解集中心点；
所述显著性水平经验值err(N)通过Crubbs检验临界值表确定，如下表所示：
N 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
err(N) 1.155 1.492 1.749 1.944 2.097 2.231 2.323 2.41 2.485 2.55 2.607 2.659
利用有限元方法计算本例所测量的轧制铝合金多边形拉伸试样在不同加载力下中心区域浅表面的应力张量，并与本例测量方法得到的应力张量测量结果进行，最终得到表1和表2。
表1 100MPa加载时试件中心主应力测量结果
Figure GDA0002506681600000073
表2 150MPa加载时试件中心主应力测量结果
Figure GDA0002506681600000074
由此可以看出，使用本发明方法测量的应力张量与多边形拉伸试验中心区域的真实应力相对误差小于5％，因此本发明方法在测量轧制金属表面应力张量方面具有很高的测试精度。

Claims (5)

1.一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其步骤如下：
S1、沿轧制方向制作与待测工件相同材料的零应力的拉伸试样，在拉伸试样表面沿不同取向角x放置超声探头，进行超声波应力测试，得到不同取向角x所对应的零应力声时t0，通过对多组取向角x及其所对应的零应力声时t0进行拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线；记取向角x所对应的零应力声时记为t0(x)；
所述取向角x为与扎制方向所呈角度，所述零应力声时t0为临界折射波在试样零应力状态下的传播时间；
S2、将步骤S1制备的零应力的拉伸试验夹持在拉伸机上，分别沿轧制方向和垂直于扎制方向放置超声探头，在零应力及不同应力加载状态下进行超声波应力测试，标定所述拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||和垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥；
S3、在待测工件表面沿扎制方向，每隔Δβ取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，得到
Figure FDA0002506681590000011
组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射波传播时间t(j·Δβ)，
Figure FDA0002506681590000012
S4、记待测工件的表面应力张量的两互相垂直主应力分别为σ1、σ2，σ1与轧制方向所呈角度为θ，根据步骤S1-S2得到的取向角x与零应力声时t0的关系曲线、拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||、拉伸试样垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥和步骤S3得到的
Figure FDA0002506681590000013
组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射纵波传播时间t(j·Δβ)，代入以下关系式，得到
Figure FDA0002506681590000014
个非线性三元方程组：
Figure FDA0002506681590000015
S5、求解步骤S4的非线性三元方程组，得到
Figure FDA0002506681590000016
个元素的解集
Figure FDA0002506681590000017
Figure FDA0002506681590000018
计算所述
Figure FDA0002506681590000019
个元素的解集中心点，得到待测工件表面的应力张量[σ1σ2 θ]。
2.根据权利要求1所述的一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其特征在于：在S1步骤中，在拉伸试样表面沿不同取向角x放置超声探头，进行超声波应力测试，得到不同取向角x所对应的零应力声时t0，通过对多组取向角x及其所对应的零应力声时t0进行拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线的具体方法是：
S11、在拉伸试样表面沿扎制方向，每隔△α取向角放置超声探头，进行超声波应力测试，超声波接收探头采集每个取向角x，x＝i·Δα所对应的零应力状态测量波形wt0(x)，
Figure FDA0002506681590000021
S12、对所采集的每个取向角x所对应的零应力状态测量波形wt0(x)进行降噪处理，计算每个取向角x所对应的零应力声时t0(x)，得到
Figure FDA0002506681590000022
组取向角x所对应的零应力声时t0(x)；
S13、通过对
Figure FDA0002506681590000023
组取向角x及其所对应的零应力声时t0(x)进行插值拟合，得到取向角x与零应力声时t0的关系曲线。
3.根据权利要求2所述的一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其特征在于：在步骤S11中0°<Δα<15°。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其特征在于：在S3步骤中，6°≤Δβ<22.5°。
5.根据权利要求1所述的一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其特征在于：在S5步骤中，计算所述
Figure FDA0002506681590000024
个元素的解集中心点的步骤为：
S51、确定用于计算中心点的有效元素
Figure FDA0002506681590000025
和有效元素数N，n＝1,2,...,N；
第一次计算过程中，有效元素为步骤S4得到的
Figure FDA0002506681590000026
个元素的解集
Figure FDA0002506681590000027
有效元素数
Figure FDA0002506681590000028
后续计算过程中，每剔除一个异常点，则参与计算中心点的有效元素就会减少一个；
S52、计算N个有效元素的中心点
Figure FDA0002506681590000029
公式如下：
Figure FDA00025066815900000210
S53、若N＝2，则以步骤S52得到中心点为解集中心点；
若N≥3，则进行步骤S54-S57；
S54、计算解集中各有效元素到所述中心点的距离，公式如下：
Figure FDA00025066815900000211
disted n为解集中第n个元素
Figure FDA00025066815900000212
到中心点的距离，并取其中的最大值，记为distedmax(N)；
S55、计算解集中所有有效元素到中心点距离的平均值
Figure FDA00025066815900000213
和标准差
Figure FDA00025066815900000214
并计算distedmax(N)的偏离值
Figure FDA0002506681590000031
S56、若distedmax(N)的偏离值E(N)大于显著性水平经验值err(N)，则进行步骤S57；若distedmax(N)的偏离值E(N)小于或等于显著性水平经验值err(N)，则取步骤S52计算得到的中心点
Figure FDA0002506681590000032
为解集中心点；
S57、将偏离值E(N)大于显著性水平经验值err(N)的最大值distedmax(N)对应的元素视为异常点进行剔除，剩余的元素为有效元素；重复步骤S51-S56，直至得到解集中心点；
所述显著性水平经验值err(N)通过Crubbs检验临界值表确定。
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