元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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为本专利技术不同应力时45钢超声波信号；图2为本专利技术不同应力时Q235钢超声波信号；图3为本专利技术45钢与Q235钢超声波信号间时间差与应力关系曲线；图4是本专利技术的修正方法的工序示意图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在以本专利技术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，但本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正方法，其特征在于步骤如下：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，作为一发一收模式双超声波探头的制作参数；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；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；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；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；步骤七，经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。...

【技术特征摘要】
1.元素含量影响超声波评价金属材料表层应力的修正方法，其特征在于步
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，作为一
发一收模式双超声波探头的制作参数；
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；
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；
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；
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彬，缪文炳，吴绪磊，李瑞峰，王凤江，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32