元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正方法

摘要

本发明公开了元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正方法，采用的是一发一收模式的双超声波探头，确定超声波可检测深度，测定金属材料的屈服应力并作为金属材料超声波声弹性公式标定实验中的最大加载应力，采集各应力时金属材料超声波信号并计算其与未加载时金属材料超声波信号间时间差，建立金属材料超声波信号间时间差与应力间对应关系，获得超声波声弹性公式并采用线性函数对其进行分析，实现元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正。本发明可在不破坏金属材料完整性基础上实现元素含量影响超声波评价其表层应力的修正，且该方法具有无损、快速、方便安全、可实现在线检测与评价等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是元素含量影响超声波评价金属材料表层应力修正方法，具 体来说是涉及一种超声波无损检测应力的纠正方法。

背景技术

随着我国科学技术的不断发展与进步，工程机械装备的服役安全逐渐引起 相关领域人员的注意。为预防工程机械装备失效引起的安全事故发生，我国每 年都以废旧金属材料形式回收大量仍在服役的工程机械装备，不仅造成能源浪 费以及环境污染，而且与我国坚持推进资源、环境和社会可持续发展背道而驰。 因而，探讨可行的工程机械装备服役寿命的检测方法对其服役安全保障就显得 极为重要。

影响工程机械装备服役寿命的因素众多，应力是关键因素之一，因而亟待 解决可行的工程机械装备应力检测方法。应力检测方法可分为无损法与有损法， 其中有损法较为常用，但需破坏工程机械装备完整性，如小孔法，弯曲法等， 不可避免对工程机械装备的服役安全带来隐患，无法满足工程机械装备应力的 在线、快速检测要求。无损法的研究及其应用较迟，但可在保证工程机械装备 完整性的基础上实现应力的检测，如超声波法、射线法、光学法等。其中，射 线法需配备专业防射线辐射装置以防危害操作人员身体健康，在实用性方面受 限；光学法对检测环境要求较高，且检测设备价格较昂贵。超声波法是基于超 声波声弹性理论实现应力评价的一种无损方法，具有操作安全方便、便于现场 检测及监测、检测效率高等优点，且该方法所需设备价格便宜、便于携带，因 而在应力评价领域引起众多学者的广泛关注。影响超声波评价应力结果(即超 声波声弹性常数)的因素众多，如元素含量、微观组织、晶粒尺寸等，例如， 同种金属材料焊接结构件焊缝、热影响区、母材的组织结构、元素含量等均不 相同，但目前公开文献资料中很少考虑其组织结构或元素含量变化对超声波声 弹性常数的影响，而仍以母材超声波声弹性常数对其焊接结构件焊缝与热影响 区应力进行评价，因而该区域应力评价结果误差较大。

综上所述，我国工程机械装备制造仍以金属材料为主要原材料，而元素含 量又是影响其力学性能的关键因素之一。鉴于此，在超声波评价应力方法基础 上，建立可对元素含量影响超声波评价金属材料表层应力结果进行修正的方法 不仅可保证超声波评价应力结果精度，而且对工程机械装备服役寿命预测及其 服役安全保障提供技术支撑。

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元素含量影响超声波 评价金属材料表层应力的修正方法，提高超声波检测应力结果的精度，而且对 工程机械装备服役寿命预测及其服役安全保障提供技术支撑。

本发明选择不同元素含量的金属材料，结合超声波声弹性常数标定实验获 得元素含量与超声波声弹性常数的对应关系，解决元素含量对金属材料表层应 力超声波检测方法的影响，获得基于元素含量影响的金属材料表层应力超声波 检测方法的修正结果。可在不破坏金属材料完整性基础上实现元素含量影响超 声波评价其表层应力的修正，且该方法具有无损、快速、方便安全、可实现在 线检测与评价等优点。

元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正方法，步骤如下：

步骤一，选定元素含量不同的金属试样作为研究对象，以超声波信号的信 噪比为特征参数，确定超声波中心频率及其在金属试样中的传播距离(超声波 接收信号幅值不小于其最大值的10％)；

该金属试样厚度不小于3.0mm，且不包含超粗大晶粒；

所确定的超声波中心频率在1.0～10MHz范围内。

步骤二，在金属试样的一侧加工宽度恒定、埋藏深度不同的一系列矩形槽， 固定超声波激发参数，依次采集通过不同埋藏深度矩形槽的超声波信号，直至 超声波在矩形槽处的反射信号消失，记录该矩形槽埋藏深度并作为该检测参数 的超声波可检测深度；

所述矩形槽的加工宽度不小于超声波在其中传播波长的1/2、埋藏深度不大 于超声波在其中传播波长的2.5倍。

步骤三，依据国家标准加工金属材料静载拉伸试样，利用静载拉伸试验获 得各元素含量金属材料的力学性能；

所述的力学性能是屈服载荷。

步骤四，将步骤三所得金属材料静载拉伸试样竖直夹持于静载拉伸试验机 上，依据金属材料试样的力学性能设定超声波信号采集对应的最大加载载荷， 安装超声波探头夹持装置，输送超声波耦合剂，待超声波探头与金属静载拉伸 材料试样间实现良好耦合状态，调节夹持装置的压力模块，保证超声波探头与 金属材料试样间耦合压力稳定不变；

所述的耦合压力稳定不变是指超声波信号幅值变化范围不超过±5％。

步骤五，编制加载程序，设定加载速率不大于3kN/s，各载荷保持时间不小 于3min，最大加载载荷不大于金属材料试样的力学性能测定值；开启加载程序， 采集不同载荷时金属材料试样的超声波信号，计算各载荷超声波信号与未加载 时超声波信号间时间差，建立超声波信号间时间差与应力的关系曲线。

步骤六，采用线性函数对符合线性变化阶段的超声波信号间时间差与加载 应力进行拟合，获得不同元素含量金属材料的超声波声弹性公式；

所述的线性函数是Δt＝k·σ；其中σ为试样加载应力(MPa)；Δt是超声 波计算信号与参考信号间时间差(ns)。

步骤七，经步骤六的线性函数得到用于修正元素含量影响超声波评价金属 材料表层应力的公式。

超声波声弹性理论是超声波评价应力的理论基础，在超声波传播速度与应 力对应关系基础上获得超声波声弹性公式，进而实现同种材料应力的无损评价。 相关研究表明，超声波声弹性效应是一种弱效应，一般而言，100MPa应力引起 超声波在钢、铝及铝合金中传播速度的变化量分别约为0.01％和0.1％，因而精 确计算或测量超声波传播速度就极为重要。此外，稳定的超声波信号也是保证 超声波评价应力结果精度的重要因素。鉴于此，本发明采用一发一收模式双超 声波探头，采用相同传播距离的超声波传播时间差(超声波信号间时间差)代 替超声波传播速度，通过建立超声波信号间时间差与应力间对应关系，获得超 声波声弹性公式，进而建立超声波声弹性公式与金属材料元素含量间对应关系， 最终实现元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正。

附图说明

图1为本发明不同应力时45钢超声波信号；

图2为本发明不同应力时Q235钢超声波信号；

图3为本发明45钢与Q235钢超声波信号间时间差与应力关系曲线；

图4是本发明的修正方法的工序示意图。

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，本申请中的金属元素是指金属材料的主要元素。

基于金属材料超声波信号信噪比优化超声波中心频率及其传播距离，制备 一发一收模式的双超声波探头，通过预制缺陷方法确定超声波可检测深度，测 定金属材料的屈服应力并作为金属材料超声波声弹性公式标定实验中的最大加 载应力，采集各应力时金属材料超声波信号并计算其与未加载时金属材料超声 波信号间时间差，建立各元素含量金属材料超声波信号间时间差与应力间对应 关系，进而获得各元素含量金属材料的超声波声弹性公式，采用线性函数对不 同元素含量金属材料超声波声弹性公式进行分析，最终实现元素含量影响超声 波评价金属材料表层应力的修正。

实施例1

以厚度为5.0mm热轧态Q235钢和45钢平板材料为例对元素含量影响超声 波评价金属材料表层应力的修正方法进行描述，修正公式具体得到过程如下：

步骤一、调节超声波脉冲发射接收仪(激发超声波信号)参数，计算Q235 钢和45钢试样超声波信号的信噪比，并将信噪比作为特征参数，选择超声波中 心频率为5MHz，以Q235钢和45钢试样棱边反射信号为参考对象，依次改变 超声波在Q235钢和45钢试样中的传播距离(距离改变间隔为5mm)，直至棱 边反射超声波信号幅值降低为最大值的60％，计算此时Q235钢和45钢试样对 应距离的平均值，并定义该距离为超声波发射探头与接收探头间距离。

步骤二、采用线切割方法在Q235钢和45钢试样一侧加工宽度为1.5mm， 埋藏深度分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0mm的规则矩形槽 (其长度与Q235钢和45钢试样宽度相同)，采集超声波在各埋藏深度矩形槽处 的反射信号，记录并定义该反射信号消失时对应的矩形槽埋藏深度为超声波可 检测深度，即应力评价结果为该深度范围内金属材料表层应力平均值。

步骤三、依据GBT228-2002拉伸试样国家标准制备厚度为5.0mm的Q235 钢与45钢静载拉伸试样，将静载拉伸试样分别竖直夹持于SANS-CMT5250电 子万能试验机，通过静载拉伸试验获得Q235钢与45钢的屈服载荷，分别为47kN 与60kN。

步骤四、将Q235钢与45钢静载拉伸试样分别竖直夹持于SANS-CMT5250 电子万能试验机，释放夹持应力，安装超声波探头夹持装置，通过夹持装置中 耦合剂输送孔将耦合剂输送至耦合剂存储槽，待超声波探头与试样间达到良好 耦合(耦合剂填充满存储槽)，调节夹持装置的压力模块，使得超声波信号稳定 在最大值的80％。

步骤五、编制超声波声弹性公式标定的加载程序，以0.5kN/s缓慢加载至预 定载荷，不卸载并保载5min，设定超声波声弹性公式标定的加载程序中Q235 钢与45钢试样最大拉伸载荷分别为47kN与60kN，开启加载程序，沿平行于加 载方向采集并存储各载荷时Q235钢与45钢试样的超声波信号，直至达到加载 程序中设定的最大载荷，停止加载，定义未加载时Q235钢与45钢超声波信号 为参考信号，其余载荷时Q235钢与45钢超声波信号为计算信号，得到计算信 号与参考信号间时间差，进而获得Q235钢与45钢超声波信号间时间差与应力 间关系曲线。

步骤六、采用线性函数Δt＝k·σ对载荷小于35kN的Q235钢及载荷小于 45kN的45钢超声波信号间时间差与应力结果进行拟合，得到Q235钢与45钢 的超声波声弹性公式，见式(Ⅰ)：

$\left(\begin{array}{c}\Delta t_1=0.15\sigma \\ \Delta t_2=0.12\sigma \end{array}\right)$式(Ⅰ)

其中，Δt₁与Δt₂分别为Q235钢与45钢超声波计算信号与参考信号间时间 差(ns)，σ为试样加载应力(MPa)。

步骤七、对金属材料的超声波声弹性公式进行线性叠加，经式(Ⅰ)得到用 于修正碳含量影响超声波评价碳钢表层应力的公式，见式(II)：

Δt′＝Δt₂-Δt₁＝(0.12-0.15)σ＝-0.03σ式(II)。