CN111307351A - 一种电磁超声仪测量残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工程材料技术领域，具体涉及一种残余应力测量方法。本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，该方法包括如下步骤：SO1、试件去应力处理步骤；SO2、测量声时值步骤；SO3、横波声弹性系数和各向异性参数确定步骤；SO4、建立声速与应力的关系方程步骤；SO5、残余应力测量步骤。本发明的目的是提供一种电磁超声仪测量残余应力的方法，电磁超声法具有非接触、无损性、耐高温等优点，并且可同时测量横向应力和纵向应力。

Description

一种电磁超声仪测量残余应力的方法
技术领域
本发明涉及工程材料技术领域，具体涉及一种残余应力测量方法。
背景技术
残余应力是指产生应力的各种外部因素撤除之后在材料内部依然存在，并 通过自身保持平衡的应力。在许多工程材料(如陶瓷、金属、玻璃)中，残余应力都会在加工、焊接、喷丸等过程中产生。残余应力会影响结构的机械性能，如疲劳强度、断裂韧性及耐磨性等。对于半导体产品，残余应力会影响其使用寿命。另一方面，内部应力能提高电子迁移率从而大幅提高设备充电速度。因此，残余应力的测量在关键部件的使用寿命设计等方面具有非常重要的意义。
现有技术中，通常采用机械测量法测量残余应力，例如公开号为CN104236768A的中国专利文件所公开的技术方案中，利用机械应力释放法，能够直接估计残余应力而不需要参考试样。
但存在缺点即：机械测量法需要将材料中的残余应力释放，会损伤材料，其有损性限制了在工业上的广泛应用，而且不能同时测量横向应力和纵向应力。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁超声仪测量残余应力的方法，电磁超声法具有非接触、无耦合剂、无损性、操作简单、耐高温等优点，而且可同时测量横向应力和纵向应力，具有良好的应用前景。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，该方法包括如下步骤：
SO1、试件去应力处理步骤：
对试件去应力处理，消除残余应力；
SO2、测量声时值步骤：
电磁超声探头吸附拉伸试件，以不同应力加载，测量每个应力下对应的声时值；
SO3、横波声弹性系数和各向异性参数确定步骤：
通过数据线性拟合，得到横波声弹性系数和各向异性参数；
SO4、建立声速与应力的关系方程步骤：
测得的数据结果代入声速值、横波声弹性系数、和各向异性参数的关系式，得到声速与应力的关系方程；
SO5、残余应力测量步骤：
电磁超声仪测量待测材料声速值，代入声速与应力的关系方程中，获得应力值。
加工平行轧制方向和垂直轧制方向的拉伸试件，并进行去应力退火热处理，能够保证消除残余应力，减小对后续外界加持应力的影响，减少结果误差。
先利用游标卡尺测量试件的厚度h，将拉伸试件固定在万能试验机上进行拉伸，再将电磁超声探头吸附在拉伸试件中部，并且转动探头使得探头上的红线垂直于试样轴线方向，确保两束横波的偏振方向分别平行于与垂直于试样的轴线方向，随后从零开始，进行单轴步进应力加载，测量每个应力下的声时值T,声时值为电磁超声仪在试件表面激发出的超声波通过试件后，从试件底部发射回试件表面所需的时间。
将测得的试件厚度H乘以2除以测得的声时值T获得超声横波的声速值V，并将测得的数据代入（1）式,（1）式为该领域已知公式，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，V 12、V 13分别为两束超声横波横向和纵向的声速值，m/s（已测得）；V 0 为试件无应 力状态下的声速值，m/s（可求得）；α为各向异性参数，表示材料内部存在的各向异性；A、B、C、D为横波声弹性系数，反映不同方向应力大小对横波声速的影响，
Figure 971920DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 731804DEST_PATH_IMAGE004
为横向应力 值、
Figure 714803DEST_PATH_IMAGE006
为纵向应力值； V 0 12、V 0 13分别为无应力状态下两束超声横波横向和纵向的声速值， m/s（已测得）。
垂直轧制方向单轴拉伸试件情况下，纵向应力值为零，所以
Figure 437908DEST_PATH_IMAGE006
=0，式（1）简化为式 （2）：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（2）
将测得的数据代入上述（2）式，以上述（2）式等号左边得出的数值为y轴，以应力为x轴， 导入origin（自定义函数拟合曲线）中进行线性拟合，得到拟合后的斜率分别为横波声弹性 系数A、C，截距为各向异性参数α 1，同理，在平行轧制方向单轴拉伸试件情况下，横向应力值 为零，所以
Figure 65330DEST_PATH_IMAGE008
=0时，数据线性拟合后得到横波声弹性系数B、D，截距为异性参数α2，则各向 异性参数
Figure 215689DEST_PATH_IMAGE010
。
将拉伸实验获得的材料无应力状态下的声速值
Figure 56956DEST_PATH_IMAGE012
，横波声弹性系数A、B、C、D和各 项异性参数
Figure 459118DEST_PATH_IMAGE014
代入上式（1）中，得到声速与应力的关系方程。
利用电磁超声仪测量待测材料某条路径的声时值T1，并将声时值T1转换为声速值V1,代入上述求得的声速与应力关系方程中，获得该处应力值，该方法可同时测量该处的横向应力和纵向应力。
作为本发明的优选，所述SO1包括在平行和垂直轧制方向拉伸试件，并进行去应力退火热处理，从而保证能够消除残余应力。
在钢板上加工平行轧制方向和垂直轧制方向的拉伸试件，进行去应力退火热处理，能够保证消除残余应力，消除残余应力的目的是减小对后续外界加持应力的影响，减少实验结果误差。
作为本发明的优选，所述SO2将电磁超声探头吸附在拉伸试件上，从零开始进行应力加载，测量不同应力下的声时值T。
采用游标卡尺测量试件的厚度，再将拉伸试件固定在万能试验机上，随后将电磁超声探头吸附在拉伸试件中部，并且转动探头使得探头上的红线垂直于试样轴线方向，确保两束横波的偏振方向分别平行于与垂直于试样的轴线方向。随后从零开始，进行单轴步进应力加载，测量不同应力下的声时值T。
作为本发明的优选，所述声时值T具体为电磁超声仪在试件表面激发出的超声波通过试件后，从试件底部发射回试件表面所需的时间，每次测量三组值，取平均值。
每次将标定试样拉伸到一个固定应力值，保持5分钟稳定后使用电磁超声仪测量得到三组声时值，取平均值，多次测量取平均值是为了减少误差，整个标定过程中探头的位置保持不变。
作为本发明的优选，所述SO3将测量得到的声时值T转化声速值V代入式（1），通过origin函数进行线性拟合得到横波声弹性系数和各项异性参数。
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（1）
式中，V 12、V 13分别为两束超声横波横向和纵向的声速值，m/s（已测得）；V 0 为试件无应 力状态下的声速值，m/s（可求得）；α为各向异性参数，表示材料内部存在的各向异性；A、B、C、D为横波声弹性系数，反映不同方向应力大小对横波声速的影响，
Figure 3363DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 590202DEST_PATH_IMAGE004
为横向应力 值、
Figure 78953DEST_PATH_IMAGE006
为纵向应力值；V 0 12、V 0 13分别为无应力状态下两束超声横波横向和纵向的声速值，m/ s（已测得）。
垂直轧制方向单轴拉伸试件情况下，纵向应力值为零，所以
Figure 658707DEST_PATH_IMAGE006
=0，式（1）简化为式 （2）：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
将测得的数据代入上述（2）式，以上述（2）式等号左边得出的数值为y轴，以应力为x轴， 导入origin（自定义函数拟合曲线）中进行线性拟合，得到拟合后的斜率分别为横波声弹性 系数A、C，截距为各项异性参数α 1，同理，在平行轧制方向单轴拉伸试件情况下，横向应力值 为零，所以
Figure 244410DEST_PATH_IMAGE004
=0时，数据线性拟合后得到横波声弹性系数B、D，截距为各向异性参数α2，则 各向异性参数
Figure 877516DEST_PATH_IMAGE018
。
作为本发明的优选，所述声时值T转化声速值V具体为将测得的试件厚度乘以2除以声时值T获得的。
利用游标卡尺测量的试件厚度乘以2然后再除以当时测得的声时值T得到声速值V。
作为本发明的优选，所述SO4将测得的声速值，横波声弹性系数A、B、C、D和各向异 性参数
Figure 197770DEST_PATH_IMAGE014
代入上式（1）中，得到声速与应力的关系方程。
将拉伸实验获得的试件在无应力状态下的声速值 ，横波声弹性系数A、B、C、D和各 向异性参数
Figure 66369DEST_PATH_IMAGE019
代入式（1）中，得到声速与应力的关系方程；
作为本发明的优选，所述SO5采用电磁超声仪同时对待测材料发出两束横向和纵向超声横波，测得声时值T1和T2，并将声时值T1和T2转化为声速值V1和V2，代入声速与应力的关系方程中，获得相应横向和纵向的应力值。
将测得的待测材料的厚度乘以2除以声时值T1、T2获得声速值V1、V2，代入声速与应力的关系方程中，获得横向和纵向的应力值。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
1、该方法测量残余应力不会损伤材料，可以简便快速的测量残余应力。
2、电磁超声法具有非接触、无耦合剂、耐高温等优点，具有良好的发展前景。
3、可同时测量横向应力和纵向应力。
附图说明
图1是电磁超声仪测量残余应力方法的实施流程图
图2是平行轧制方向和垂直轧制方向试件的取样图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
本实施例中，如图1、2所示：在Q345R钢板上加工平行轧制方向和垂直轧制方向的拉伸试件，进行去应力退火热处理，能够保证消除残余应力，减小对后续外界加持应力的影响，减少结果误差。
拉伸实验前，先采用游标卡尺测量试件的厚度h，再通过万能试验机分别拉伸两试件，并采用电磁超声仪测量不同应力下对应的声时值。应力加载装置采用上海申力公司WA-300A型电液伺服万能试验机，电磁超声仪采用了美国Innerspec公司所开发的TematePowerBox H集成式大功率电磁超声仪。实验时，将拉伸试件固定在万能试验机上，再将电磁超声探头吸附在拉伸试件中部，并且转动探头使得探头上的红线垂直于试样轴线方向，确保两束横波的偏振方向分别平行与垂直于试样的轴线方向。随后进行单轴应力加载，从零应力开始，以每次将标定试样拉伸到一个固定应力值，标定过程中探头的位置保持不变。测量每个应力下的声时值T,声时值T为电磁超声仪在试件表面激发出的超声波通过试件后，从试件底部发射回试件表面所需的时间。
将测得的试件厚度H乘以2除以测得的声时值T获得超声横波的声速值V，并将测得的数据代入（1）式,（1）式为该领域已知公式，
Figure 913102DEST_PATH_IMAGE020
（1）
式中，V 12、V 13分别为两束超声横波横向和纵向的声速值，m/s（已测得）；V 0 为试件无应 力状态下的声速值，m/s（可求得）；α为各向异性参数，表示材料内部存在的各向异性；A、B、C、D为横波声弹性系数，反映不同方向应力大小对横波声速的影响，
Figure 359521DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 557284DEST_PATH_IMAGE004
为横向应力 值、
Figure 229573DEST_PATH_IMAGE006
为纵向应力值； V 0 12、V 0 13分别为无应力状态下两束超声横波横向和纵向的声速值， m/s（已测得）。
垂直轧制方向单轴拉伸试件情况下，纵向应力值为零，所以
Figure 196392DEST_PATH_IMAGE006
=0，式（1）简化为式 （2）：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
（2）
将测得的数据代入上述（2）式，以上述（2）式等号左边得出的数值为y轴，以应力为x轴， 导入origin（自定义函数拟合曲线）中进行线性拟合，得到拟合后的斜率分别为横波声弹性 系数A、C，截距为各向异性参数α 1，同理，在平行轧制方向单轴拉伸试件情况下，横向应力值 为零，所以
Figure 515509DEST_PATH_IMAGE004
=0时，数据线性拟合后得到横波声弹性系数B、D，截距为异性参数α2，则各向 异性参数
Figure 59623DEST_PATH_IMAGE018
。
将拉伸实验获得的材料无应力状态下的声速值
Figure 410970DEST_PATH_IMAGE012
，横波声弹性系数A、B、C、D和各 项异性参数
Figure 606197DEST_PATH_IMAGE014
代入上式（1）中，得到声速与应力的关系方程。
采用电磁超声仪同时对待测材料发出两束横向和纵向超声横波，测得声时值T1和T2，并将声时值T1和T2转化为声速值V1和V2，代入声速与应力的关系方程中，获得相应横向和纵向的应力值。

Claims (8)

1.一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，该方法包括如下步骤：
SO1、试件去应力处理步骤：
对试件去应力处理，消除残余应力；
SO2、测量声时值步骤：
电磁超声探头吸附拉伸试件，以不同应力加载，测量每个应力下对应的声时值；
SO3、横波声弹性系数和各向异性参数确定步骤：
通过数据线性拟合，得到横波声弹性系数和各向异性参数；
SO4、建立声速与应力的关系方程步骤：
测得的数据结果代入声速值、横波声弹性系数和各向异性参数的关系式，得到声速与应力的关系方程；
SO5、残余应力测量步骤：
电磁超声仪测量待测材料声速值，代入声速与应力的关系方程中，获得应力值。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，其特征在于：所述SO1包括在平行和垂直轧制方向拉伸试件，并进行去应力退火热处理，从而保证能够消除残余应力。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，其特征在于：所述SO2将电磁超声探头吸附在拉伸试件上，从零开始进行应力加载，测量不同应力下的声时值T。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，其特征在于：所述声时值T具体为电磁超声仪在试件表面激发出的超声波通过试件后，从试件底部发射回试件表面所需的时间，每次测量三组值，取平均值。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，其特征在于：所述SO3将测量得到的声时值T转化声速值V代入式（1），通过origin函数进行线性拟合得到横波声弹性系数和各向异性参数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）。
6.根据权利要求5所述的一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，其特征在于：所述声时值T转化声速值V具体为将测得的试件厚度乘以2除以声时值T获得的。
7.根据权利要求5所述的一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，其特征在于：所述SO4将测得的声速值 ，横波声弹性系数A、B、C、D和各向异性参数
Figure DEST_PATH_IMAGE006
代入上式（1）中，得到声速与应力的关系方程。
8.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声仪测量残余应力的方法，其特征在于：所述SO5采用电磁超声仪同时对待测材料发出两束横向和纵向超声横波，测得声时值T1和T2将声时值T1和T2转化为声速值V1和V2，代入声速与应力的关系方程中，获得相应横向和纵向的应力值。
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