气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法技术

本发明专利技术公开了气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法。优化双临界折射纵波探头的中心频率与传播距离，以临界折射纵波接收信号幅值为评价参数，结合“当量法”确定临界折射纵波检测深度，并加工深度恒定，直径不同的规则盲孔模拟内部气孔。利用压力可调控的探头夹持装置采集临界折射纵波信号，以临界折射纵波通过相同传播距离的时间差作为应力评价参量，建立各直径盲孔的临界折射纵波传播时间差与应力间关系，进而获得临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间关系式，实现气孔直径影响临界折射纵波评价应力的修正。本发明专利技术方法具有无损、快速等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，具体来说涉及一种临界折射纵波评价应力的无损方法。
技术介绍
工程机械装备关键零部件的失效是导致工程机械装备整体失效的主要原因，为减少人员伤亡以及安全事故的发生，在工程机械装备仍具有一定使用寿命时便将其报废。为此，我国每年都以废旧钢铁形式回收大量的钢铁类工程机械设备，并作为初级材料对其进行再加工制造，这不仅造成资源、能源的浪费以及环境污染，而且与我国坚持资源、环境和社会可持续发展的目标背道而驰。因而，探讨可实现工程机械装备关键零部件服役安全与质量的评价方法对其服役性能与寿命保障就显得极为重要。材料失效分析理论表明，应力(工作应力或残余应力)是影响甚至决定工程机械装备关键零部件服役安全与质量的关键因素，因而探讨可实现应力评价的方法对工程机械装备关键零部件服役安全与质量的保障就显得极为重要。目前，应力评价方法可分为无损法与有损法两类。有损法是在破坏零部件整体使用性能基础上实现应力的评价，如弯曲法、小孔法等，该类方法虽可实现应力的评价，但存在一定问题，如不满足现场快速检测与在线评价要求，由于抽样检测不可避免为零部件服役安全与质量造成隐患；无损法是在保证零部件整体使用性能基础上实现应力的评价，如超声波法、光学法、射线法等。相对而言，光学法对检测环境要求极高，不便于现场检测，如云纹干涉法。射线法需配备专业的射线防护装置以防止操作人员身体健康受到危害，且设备价格昂贵。临界折射纵波是超声波法的一种，具有检测效率高、操作方便安全、适于现场检测及可实现在线检测等优点，且设备价格便宜，便于携带，因而在应力评价领域引起众多学者的关注。目前，临界折射纵波法主要以完整单一材料为评价对象，忽略或不考虑材料缺陷对应力评价的影响，然而缺陷(尤其是内部不可见缺陷)是不可避免存在的，且缺陷不仅改变应力的分布，而且影响应力的数值。相关研究表明，工程机械装备关键零部件的失效往往是由缺陷与应力共同作用导致。因而，在临界折射纵波评价应力理论基础上，如能建立一套行之有效的对气孔直径影响临界折射纵波评价应力结果进行的修正方法不仅可保证临界折射纵波评价应力结果精度，而且可对工程机械装备关键零部件服役寿命的预测提供技术支撑。
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气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，结合“当量法”，以规则盲孔模拟内部气孔，解决金属材料内部气孔缺陷及其尺寸对临界折射纵波评价应力的影响。临界折射纵波法以超声波声弹性理论为基础，通过建立临界折射纵波传播速度与应力间对应关系即可实现应力的评价，但该效应是一种弱效应，一般而言，100MPa应力引起超声波在钢中传播速度的变化量约为0.01％，因而临界折射纵波传播速度的精确测量对应力评价结果就显得极为重要。为此，本专利技术以临界折射纵波通过固定传播距离的时间差代替临界折射纵波传播速度，通过建立临界折射纵波传播时间差与应力间关系，获得临界折射纵波声弹性系数，进而建立临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系，最终实现气孔直径影响临界折射纵波评价应力的修正。一种气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，步骤如下：步骤一，选择厚度大于3.0mm的金属材料调整临界折射纵波激发参数，选择探头激发模式，以临界折射纵波接收信号幅值为评价参数，选择临界折射纵波中心频率及其在试样中的传播距离；所述的金属材料不包含衰减明显的金属材料；所述的临界折射纵波中心频率在1.0～10MHz之间；在所述的传播距离内，临界折射纵波信号幅值不小于其最大值的10％。步骤二，在金属材料试样一侧加工宽度恒定、深度不同的规则矩形槽，固定临界折射纵波激发参数不变，调节探头激发模式，依次采集通过深度由小到大的矩形槽的临界折射纵波，直至临界折射纵波接收信号消失，记录该检测参数对应的矩形槽深度；所述的规则矩形槽的宽度大于临界折射纵波在实验材料中的波长。步骤三，确定盲孔深度、中心间距及与试样宽度边缘的间距，加工预制盲孔的非标准静载拉伸试样；其中，盲孔中心间距不小于相邻盲孔直径和的3倍，与试样宽度边缘的间距不小于盲孔直径最大值的6倍。步骤四，将预制盲孔的非标准静载拉伸试样竖直加持于静载拉伸试验机，依据金属材料力学性能设定相应的加载程序，安装临界折射纵波探头加持装置，调节临界折射纵波探头与金属材料试样间耦合状态，获得稳定的临界折射纵波；所述加载程序的最大载荷不超过试样的屈服强度；步骤五，缓慢加载，采集不同应力时各直径盲孔处金属材料试样的临界折射纵波，定义临界折射纵波参考信号与计算信号，获得各应力对应的临界折射纵波传播时间差，建立临界折射纵波传播时间差与应力间关系曲线；所述的缓慢加载是加载速率不超过1kN/s；步骤六，采用线性函数拟合对临界折射纵波传播时间差与应力结果进行拟合得到临界折射纵波声弹性系数，建立临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系；所述的线性函数见式(Ⅰ)：Δt＝k﹒σ式(Ⅰ)；其中Δt为临界折射纵波计算信号与参考信号间时间差(ns)，σ为Q235钢加载应力(MPa)。步骤七，采用幂函数对临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径进行拟合，得到用于气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正公式；所述的幂函数见式(Ⅲ)：k＝a·Db式(Ⅲ)其中，k为临界折射纵波声弹性系数(ns/MPa)，D为盲孔直径(mm)，a与b为常数根据修正公式可实现金属材料内部任意直径气孔影响临界折射纵波评价应力的修正。附图说明图1为本专利技术临界折射纵波评价应力系统的连接关系示意图；图2是本专利技术的修正方法的步骤详解图；图3为本专利技术盲孔直径分别为0.5mm(3a)与3.0mm(3b)时，不同应力下Q235钢临界折射纵波信号；图4为本专利技术盲孔直径分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0mm时，Q235钢临界折射纵波传播时间差-应力关系曲线；图5为本专利技术Q235钢临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系图。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。实施例1图1为本专利技术临界折射纵波评价应力系统的连接关系示意图，参照图1所示，超声波脉冲发射接收仪、数据采集设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，步骤如下：步骤一、选择厚度大于3.0mm的金属材料，以临界折射纵波接收信号幅值为评价参数，选取临界折射纵波中心频率及其在金属材料试样中的最佳传播距离，作为一发一收模式双临界折射纵波探头的制作参数；步骤二、在金属材料试样一侧加工宽度恒定、深度不同的规则矩形槽，固定临界折射纵波激发参数不变，调节探头激发模式，依次采集通过深度由小到大的矩形槽的临界折射纵波，直至临界折射纵波接收信号消失，记录该检测参数对应的矩形槽深度；步骤三、在金属材料试样一侧加工深度恒定，直径不同的盲孔模拟金属材料内部气孔；确定盲孔深度、中心间距及与试样宽度边缘的间距；步骤四、将预制盲孔的非标准静载拉伸试样竖直加持于静载拉伸试验机，依据金属材料力学性能设定相应的加载程序，安装临界折射纵波探头加持装置，调节临界折射纵波探头与金属材料试样间耦合状态，获得稳定的临界折射纵波；步骤五、缓慢加载，采集不同应力时各直径盲孔处金属材料试样的临界折射纵波，定义临界折射纵波参考信号与计算信号，获得各应力对应的临界折射纵波传播时间差，建立临界折射纵波传播时间差与应力间关系曲线；步骤六、采用线性函数拟合对临界折射纵波传播时间差与应力结果进行拟合得到临界折射纵波声弹性系数，建立临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间对应关系；所述的线性函数见式(Ⅰ)：Δt＝k﹒σ  式(Ⅰ)；其中Δt为临界折射纵波计算信号与参考信号间时间差(ns)，σ为Q235钢加载应力(MPa)。步骤七、采用幂函数对临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径进行拟合，得到用于气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正公式；所述的幂函数是所述的幂函数见式(Ⅲ)k＝a·Db  式(Ⅲ)其中，k为临界折射纵波声弹性系数(ns/MPa)，D为盲孔直径(mm)，a与b为常数。...

【技术特征摘要】
1.一种气孔直径影响临界折射纵波评价金属材料应力的修正方法，步骤如
下：
步骤一、选择厚度大于3.0mm的金属材料，以临界折射纵波接收信号幅值
为评价参数，选取临界折射纵波中心频率及其在金属材料试样中的最佳传播距
离，作为一发一收模式双临界折射纵波探头的制作参数；
步骤二、在金属材料试样一侧加工宽度恒定、深度不同的规则矩形槽，固
定临界折射纵波激发参数不变，调节探头激发模式，依次采集通过深度由小到
大的矩形槽的临界折射纵波，直至临界折射纵波接收信号消失，记录该检测参
数对应的矩形槽深度；
步骤三、在金属材料试样一侧加工深度恒定，直径不同的盲孔模拟金属材
料内部气孔；确定盲孔深度、中心间距及与试样宽度边缘的间距；
步骤四、将预制盲孔的非标准静载拉伸试样竖直加持于静载拉伸试验机，
依据金属材料力学性能设定相应的加载程序，安装临界折射纵波探头加持装置，
调节临界折射纵波探头与金属材料试样间耦合状态，获得稳定的临界折射纵波；
步骤五、缓慢加载，采集不同应力时各直径盲孔处金属材料试样的临界折
射纵波，定义临界折射纵波参考信号与计算信号，获得各应力对应的临界折射
纵波传播时间差，建立临界折射纵波传播时间差与应力间关系曲线；
步骤六、采用线性函数拟合对临界折射纵波传播时间差与应力结果进行拟
合得到临界折射纵波声弹性系数，建立临界折射纵波声弹性系数与盲孔直径间
对应关系；所述的线性函数见式(Ⅰ)：
Δt＝k﹒σ式(Ⅰ)；
其中Δt为临界折射纵波计算信号与参考信号间时间差(ns)，σ为...

【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