元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正方法技術

本發明專利技術公開了元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正方法，采用的是一發一收模式的雙超聲波探頭，確定超聲波可檢測深度，測定金屬材料的屈服應力并作為金屬材料超聲波聲彈性公式標定實驗中的最大加載應力，采集各應力時金屬材料超聲波信號并計算其與未加載時金屬材料超聲波信號間時間差，建立金屬材料超聲波信號間時間差與應力間對應關系，獲得超聲波聲彈性公式并采用線性函數對其進行分析，實現元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正。本發明專利技術可在不破壞金屬材料完整性基礎上實現元素含量影響超聲波評價其表層應力的修正，且該方法具有無損、快速、方便安全、可實現在線檢測與評價等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及的是元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力修正方法，具體來說是涉及一種超聲波無損檢測應力的糾正方法。
技術介紹
隨著我國科學技術的不斷發展與進步，工程機械裝備的服役安全逐漸引起相關領域人員的注意。為預防工程機械裝備失效引起的安全事故發生，我國每年都以廢舊金屬材料形式回收大量仍在服役的工程機械裝備，不僅造成能源浪費以及環境污染，而且與我國堅持推進資源、環境和社會可持續發展背道而馳。因而，探討可行的工程機械裝備服役壽命的檢測方法對其服役安全保障就顯得極為重要。影響工程機械裝備服役壽命的因素眾多，應力是關鍵因素之一，因而亟待解決可行的工程機械裝備應力檢測方法。應力檢測方法可分為無損法與有損法，其中有損法較為常用，但需破壞工程機械裝備完整性，如小孔法，彎曲法等，不可避免對工程機械裝備的服役安全帶來隱患，無法滿足工程機械裝備應力的在線、快速檢測要求。無損法的研究及其應用較遲，但可在保證工程機械裝備完整性的基礎上實現應力的檢測，如超聲波法、射線法、光學法等。其中，射線法需配備專業防射線輻射裝置以防危害操作人員身體健康，在實用性方面受限；光學法對檢測環境要求較高，且檢測設備價格較昂貴。超聲波法是基于超聲波聲彈性理論實現應力評價的一種無損方法，具有操作安全方便、便于現場檢測及監測、檢測效率高等優點，且該方法所需設備價格便宜、便于攜帶，因而在應力評價領域引起眾多學者的廣泛關注。影響超聲波評價應力結果(即超聲波聲彈性常數)的因素眾多，如元素含量、微觀組織、晶粒尺寸等，例如，同種金屬材料焊接結構件焊縫、熱影響區、母材的組織結構、元素含量等均不相同，但目前公開文獻資料中很少考慮其組織結構或元素含量變化對超聲波聲彈性常數的影響，而仍以母材超聲波聲彈性常數對其焊接結構件焊縫與熱影響區應力進行評價，因而該區域應力評價結果誤差較大。綜上所述，我國工程機械裝備制造仍以金屬材料為主要原材料，而元素含量又是影響其力學性能的關鍵因素之一。鑒于此，在超聲波評價應力方法基礎上，建立可對元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力結果進行修正的方法不僅可保證超聲波評價應力結果精度，而且對工程機械裝備服役壽命預測及其服役安全保障提供技術支撐。
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術目的在于提供一種元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正方法，提高超聲波檢測應力結果的精度，而且對工程機械裝備服役壽命預測及其服役安全保障提供技術支撐。本專利技術選擇不同元素含量的金屬材料，結合超聲波聲彈性常數標定實驗獲得元素含量與超聲波聲彈性常數的對應關系，解決元素含量對金屬材料表層應力超聲波檢測方法的影響，獲得基于元素含量影響的金屬材料表層應力超聲波檢測方法的修正結果。可在不破壞金屬材料完整性基礎上實現元素含量影響超聲波評價其表層應力的修正，且該方法具有無損、快速、方便安全、可實現在線檢測與評價等優點。元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正方法，步驟如下：步驟一，選定元素含量不同的金屬試樣作為研究對象，以超聲波信號的信噪比為特征參數，確定超聲波中心頻率及其在金屬試樣中的傳播距離(超聲波接收信號幅值不小于其最大值的10％)；該金屬試樣厚度不小于3.0mm，且不包含超粗大晶粒；所確定的超聲波中心頻率在1.0～10MHz范圍內。步驟二，在金屬試樣的一側加工寬度恒定、埋藏深度不同的一系列矩形槽，固定超聲波激發參數，依次采集通過不同埋藏深度矩形槽的超聲波信號，直至超聲波在矩形槽處的反射信號消失，記錄該矩形槽埋藏深度并作為該檢測參數的超聲波可檢測深度；所述矩形槽的加工寬度不小于超聲波在其中傳播波長的1/2、埋藏深度不大于超聲波在其中傳播波長的2.5倍。步驟三，依據國家標準加工金屬材料靜載拉伸試樣，利用靜載拉伸試驗獲得各元素含量金屬材料的力學性能；所述的力學性能是屈服載荷。步驟四，將步驟三所得金屬材料靜載拉伸試樣豎直夾持于靜載拉伸試驗機上，依據金屬材料試樣的力學性能設定超聲波信號采集對應的最大加載載荷，安裝超聲波探頭夾持裝置，輸送超聲波耦合劑，待超聲波探頭與金屬靜載拉伸材料試樣間實現良好耦合狀態，調節夾持裝置的壓力模塊，保證超聲波探頭與金屬材料試樣間耦合壓力穩定不變；所述的耦合壓力穩定不變是指超聲波信號幅值變化范圍不超過±5％。步驟五，編制加載程序，設定加載速率不大于3kN/s，各載荷保持時間不小于3min，最大加載載荷不大于金屬材料試樣的力學性能測定值；開啟加載程序，采集不同載荷時金屬材料試樣的超聲波信號，計算各載荷超聲波信號與未加載時超聲波信號間時間差，建立超聲波信號間時間差與應力的關系曲線。步驟六，采用線性函數對符合線性變化階段的超聲波信號間時間差與加載應力進行擬合，獲得不同元素含量金屬材料的超聲波聲彈性公式；所述的線性函數是Δt＝k·σ；其中σ為試樣加載應力(MPa)；Δt是超聲波計算信號與參考信號間時間差(ns)。步驟七，經步驟六的線性函數得到用于修正元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的公式。超聲波聲彈性理論是超聲波評價應力的理論基礎，在超聲波傳播速度與應力對應關系基礎上獲得超聲波聲彈性公式，進而實現同種材料應力的無損評價。相關研究表明，超聲波聲彈性效應是一種弱效應，一般而言，100MPa應力引起超聲波在鋼、鋁及鋁合金中傳播速度的變化量分別約為0.01％和0.1％，因而精確計算或測量超聲波傳播速度就極為重要。此外，穩定的超聲波信號也是保證超聲波評價應力結果精度的重要因素。鑒于此，本專利技術采用一發一收模式雙超聲波探頭，采用相同傳播距離的超聲波傳播時間差(超聲波信號間時間差)代替超聲波傳播速度，通過建立超聲波信號間時間差與應力間對應關系，獲得超聲波聲彈性公式，進而建立超聲波聲彈性公式與金屬材料元素含量間對應關系，最終實現元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正。附圖說明圖1為本專利技術不同應力時45鋼超聲波信號；圖2為本專利技術不同應力時Q235鋼超聲波信號；圖3為本專利技術45鋼與Q235鋼超聲波信號間時間差與應力關系曲線；圖4是本專利技術的修正方法的工序示意圖。具體實施方式下面對本專利技術的實施例作詳細說明：本實施例在以本專利技術技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術的保護范圍不限于下述實施例，本申請中的金屬元素是指金屬材料的主要元素。基于金屬材料超聲波信號信噪比優化超聲波中心頻率及其傳本文檔來自技高網...

【技術保護點】
元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正方法，其特征在于步驟如下：步驟一，選定元素含量不同的金屬試樣作為研究對象，以超聲波信號的信噪比為特征參數，確定超聲波中心頻率及其在金屬試樣中的傳播距離，作為一發一收模式雙超聲波探頭的制作參數；步驟二，在金屬試樣的一側加工寬度恒定、埋藏深度不同的一系列矩形槽，固定超聲波激發參數，依次采集通過不同埋藏深度矩形槽的超聲波信號，直至超聲波在矩形槽處的反射信號消失，記錄該矩形槽埋藏深度并作為該檢測參數的超聲波可檢測深度；步驟三，依據國家標準加工金屬材料靜載拉伸試樣，利用靜載拉伸試驗獲得各元素含量金屬材料的力學性能；步驟四，將步驟三所得金屬材料靜載拉伸試樣豎直夾持于靜載拉伸試驗機上，依據金屬材料試樣的力學性能設定超聲波信號采集對應的最大加載載荷，安裝超聲波探頭夾持裝置，輸送超聲波耦合劑，待超聲波探頭與金屬靜載拉伸材料試樣間實現良好耦合狀態，調節夾持裝置的壓力模塊，保證超聲波探頭與金屬材料試樣間耦合壓力穩定不變；步驟五，編制加載程序，設定加載速率不大于3kN/s，各載荷保持時間不小于3min，最大加載載荷不大于金屬材料試樣的力學性能測定值；開啟加載程序，采集不同載荷時金屬材料試樣的超聲波信號，計算各載荷超聲波信號與未加載時超聲波信號間時間差，建立超聲波信號間時間差與應力的關系曲線。步驟六，采用線性函數對符合線性變化階段的超聲波信號間時間差與加載應力進行擬合，獲得不同元素含量金屬材料的超聲波聲彈性公式；步驟七，經線性函數得到用于修正元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的公式。...

【技術特征摘要】
1.元素含量影響超聲波評價金屬材料表層應力的修正方法，其特征在于步
驟如下：
步驟一，選定元素含量不同的金屬試樣作為研究對象，以超聲波信號的信
噪比為特征參數，確定超聲波中心頻率及其在金屬試樣中的傳播距離，作為一
發一收模式雙超聲波探頭的制作參數；
步驟二，在金屬試樣的一側加工寬度恒定、埋藏深度不同的一系列矩形槽，
固定超聲波激發參數，依次采集通過不同埋藏深度矩形槽的超聲波信號，直至
超聲波在矩形槽處的反射信號消失，記錄該矩形槽埋藏深度并作為該檢測參數
的超聲波可檢測深度；
步驟三，依據國家標準加工金屬材料靜載拉伸試樣，利用靜載拉伸試驗獲
得各元素含量金屬材料的力學性能；
步驟四，將步驟三所得金屬材料靜載拉伸試樣豎直夾持于靜載拉伸試驗機
上，依據金屬材料試樣的力學性能設定超聲波信號采集對應的最大加載載荷，
安裝超聲波探頭夾持裝置，輸送超聲波耦合劑，待超聲波探頭與金屬靜載拉伸
材料試樣間實現良好耦合狀態，調節夾持裝置的壓力模塊，保證超聲波探頭與
金屬材料試樣間耦合壓力穩定不變；
步驟五，編制加載程序，設定加載速率不大于3kN/s，各載荷保持時間不小
于3min，最大加載載荷不大于金屬材料試樣的力學性能測定值；開啟加載程序，
采集不同載荷時金屬材料試樣的超聲波信號，計算各載荷超聲波信號與未加載
時超聲波信號間時間差，建立超聲...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉彬，繆文炳，吳緒磊，李瑞峰，王鳳江，
申請(專利權)人：江蘇科技大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32