無(wú)損檢測(cè) 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法
Non-destructive testing—Test method for measuring residual stress using ultrasonic critical refracted longitudinal wave
前 言
本標(biāo)準(zhǔn)按照 GB/T 1.1—2009 給出的規(guī)則起草。
本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 56）提出并歸口。
本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：北京理工大學(xué)。
本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：徐春廣、肖定國(guó)、宋文濤、李煥新、潘勤學(xué)、劉帥。
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于超聲臨界折射縱波（爬波）測(cè)量殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于檢測(cè)透聲性良好的金屬和非金屬固體材料和/或構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力。
2 規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 228.1 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法
GB/T 11345—2013 焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定
GB/T 12604.1 無(wú)損檢測(cè) 術(shù)語(yǔ) 超聲檢測(cè)
GB/T 16923 鋼件的正火與退火
GB/T 18852 無(wú)損檢測(cè) 超聲檢驗(yàn) 測(cè)量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法
GB/T 25712 振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法
3 術(shù)語(yǔ)和定義 GB/T 12604.1界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。 4 人員要求按本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施檢測(cè)的人員應(yīng)通過(guò)殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)。
5 方法概要當(dāng)發(fā)射換能器激發(fā)超聲縱波以第一臨界角斜入射到被檢件表面時(shí)，依據(jù)Snell 定律，可在被檢件材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲臨界折射縱波，并可被接收換能器接收到，如圖1所示。
依據(jù)聲彈性原理，材料中的殘余應(yīng)力會(huì)影響超聲縱波傳播速度，當(dāng)殘余應(yīng)力方向與縱波方向一致時(shí)，拉伸應(yīng)力使超聲縱波傳播速度變慢或傳播時(shí)間t 延長(zhǎng)，壓縮應(yīng)力使超聲縱波傳播速度加快或傳播時(shí)間t 縮短。
因此，在激勵(lì)和接收兩換能器之間的距離（探頭間距）保持不變的條件下，若測(cè)得零應(yīng)力σ0對(duì)應(yīng)的超聲傳播時(shí)間ｔ０ 和被檢件應(yīng)力σ 對(duì)應(yīng)的超聲傳播時(shí)間t，根據(jù)時(shí)間差可求出被檢件中的殘余應(yīng)力絕對(duì)值σ，即：
σ－σ0 ＝ K（t－ｔ０） .................... (1)
或Δσ ＝ KΔt ......................... (2)式中：Δσ—?dú)堄鄳?yīng)力的變化量（應(yīng)力差）Δσ ＝ σ－σ0；Δt——傳播時(shí)間的變化量（聲時(shí)差）Δt ＝ t－ｔ０；
K——應(yīng)力系數(shù)，與被檢件的材料和探頭間距有關(guān)，可通過(guò)拉伸試驗(yàn)標(biāo)定獲得（見(jiàn)7.3）
圖1 超聲臨界折射縱波收發(fā)原理及殘余應(yīng)力檢測(cè)區(qū)域
按本標(biāo)準(zhǔn)所檢測(cè)的殘余應(yīng)力，是被檢件表層下材料內(nèi)部三維空間區(qū)域內(nèi)沿聲波傳播方向的殘余應(yīng)力平均值。
6 檢測(cè)系統(tǒng) 6.1 儀器殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)儀應(yīng)至少具有如下功能：
a) 頻率設(shè)置；
b) 濾波；
c) 超聲激勵(lì)電壓控制；
d) 超聲接收增益控制；
e) 超聲臨界折射縱波傳播時(shí)間和殘余應(yīng)力值的計(jì)算。 應(yīng)定期對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行綜合性能校準(zhǔn)，以確認(rèn)其檢測(cè)數(shù)值的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)間隔最長(zhǎng)不超過(guò)一年。
6.2.1 應(yīng)能實(shí)現(xiàn)超聲臨界折射縱波的發(fā)射和接收。
6.2.2 用于檢測(cè)的探頭（至少包含兩個(gè)換能器），按 GB/T 18852 規(guī)定的方法測(cè)試，其性能參數(shù)應(yīng)相同。
6.2.3 檢測(cè)所用的探頭應(yīng)是應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定和零應(yīng)力校準(zhǔn)時(shí)所用探頭。
6.2.4 探頭接觸面與被檢件表面應(yīng)良好耦合，如果被檢件表面為曲面，耦合狀態(tài)應(yīng)符合 GB/T 11345—2013 的 6.3.4 規(guī)定。
6.3 耦合劑應(yīng)使用適當(dāng)?shù)鸟詈蟿员ＷC在工作溫度范圍內(nèi)探頭與被檢件表面具有穩(wěn)定可靠的超聲耦合。應(yīng)力系數(shù)獲得、零應(yīng)力校準(zhǔn)和檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)使用相同的耦合劑，并保持相同的耦合狀態(tài)。
6.4 零應(yīng)力試塊
6.4.1 材料
應(yīng)采用與被檢件材料金相組織狀態(tài)和表面粗糙度相同的材料。
6.4.2 形狀和尺寸
試塊的形狀見(jiàn)圖2，尺寸范圍見(jiàn)表1，允許誤差±0.1mm。標(biāo)定區(qū)域的表面粗糙度Ra 應(yīng)小于10μm。
圖2 試塊
表1 試塊的尺寸范圍
6.4.3 零應(yīng)力處理
可采用如下之一方法來(lái)獲得零應(yīng)力：
a) 按 GB/T 16923 所述方法，對(duì)試塊進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火后試塊的金相組織狀態(tài)應(yīng)與被檢 件的材料組織狀態(tài)相同；
b) 按 GB/T 25712 所述方法，對(duì)試塊進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力處理，近似得到應(yīng)力為零的試塊。
7 檢測(cè) 7.1 檢測(cè)前準(zhǔn)備7.1.1 檢測(cè)區(qū)域
檢測(cè)區(qū)域的大小與探頭尺寸和檢測(cè)頻率有關(guān)（見(jiàn)圖1），檢測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度 L 為臨界折射縱波傳播距 離（即探頭間距，通常為5mm～100mm），檢測(cè)區(qū)域?qū)挾?W 為換能器晶片寬度或直徑（通常為5mm～ 30mm），檢測(cè)區(qū)域深度 D 由頻率決定：
式中： D——檢測(cè)區(qū)域深度（mm）；
f——探頭中心頻率（MHz）；
α——檢測(cè)深度修正系數(shù)（mm/ns），常用金屬材料參考值：鋼5.98，鋁6.40，銅4.81。 檢測(cè)區(qū)域大小應(yīng)大于等于探頭尺寸覆蓋的范圍，或由合同約定。7.1.2 探頭布置方案
根據(jù)7.1.1確定的檢測(cè)區(qū)域，設(shè)計(jì)探頭布置方案，明確探頭檢測(cè)位置。
7.1.3 表面準(zhǔn)備
檢測(cè)位置的表面粗糙度Ra 應(yīng)小于等于10μm。
7.2 檢測(cè)儀器的調(diào)整和設(shè)置
按照使用說(shuō)明書(shū)，將殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)儀器調(diào)整到正常工作狀態(tài)。 根據(jù)所確定的檢測(cè)區(qū)域（7.1.1），設(shè)置檢測(cè)頻率、濾波帶寬、超聲激勵(lì)電壓、超聲接收增益、探頭間距和位置等檢測(cè)參數(shù)。
7.3 應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定按7.2調(diào)整和設(shè)置檢測(cè)儀器，將探頭穩(wěn)固耦合在零應(yīng)力試塊（6.4）的標(biāo)定區(qū)域內(nèi)，按GB/T 228.1 規(guī)定的方法，在常溫環(huán)境（22±2℃）下，對(duì)零應(yīng)力試塊（6.4）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
在材料彈性范圍內(nèi)，記錄檢測(cè)儀器的聲時(shí)差Δt 和拉伸試驗(yàn)設(shè)備輸出的拉應(yīng)力變化Δσ。測(cè)量點(diǎn)不少 于10點(diǎn)，重復(fù)拉伸次數(shù)不少于5次，取平均值，繪制出拉伸應(yīng)力值與聲時(shí)差的坐標(biāo)圖，如圖3所示。對(duì)數(shù) 據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到的直線(xiàn)斜率的倒數(shù)即為應(yīng)力系數(shù)K。
注：圖中示例數(shù)據(jù)的試驗(yàn)條件為：檢測(cè)頻率5MHz，探頭間距30mm，被檢件材料45號(hào)冷軋鋼，環(huán)境溫度23℃。
圖3 拉伸應(yīng)力值與聲時(shí)差的線(xiàn)性關(guān)系按7.2調(diào)整和設(shè)置檢測(cè)儀器，將探頭穩(wěn)定耦合在零應(yīng)力試塊（6.4）的標(biāo)定區(qū)域內(nèi)，記錄儀器測(cè)出的 零應(yīng)力對(duì)應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播時(shí)間 t0。
7.5.1 按 7.2 調(diào)整和設(shè)置檢測(cè)儀器。根據(jù)探頭布置方案（7.1.2），將探頭穩(wěn)定耦合在檢測(cè)位置。
7.5.2 記錄儀器測(cè)出的被檢件內(nèi)的超聲臨界折射縱波傳播時(shí)間 t。
7.5.3 根據(jù)式（1）或式（2），計(jì)算出被檢件內(nèi)的殘余應(yīng)力值 Δσ 或 σ（設(shè) σ0＝0）。所得殘余應(yīng)力絕 對(duì)值 σ 為負(fù)值表示壓縮應(yīng)力，正值表示拉伸應(yīng)力。
注：此計(jì)算過(guò)程可由人工完成，也可由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)完成。
8 溫度補(bǔ)償與修正檢測(cè)被檢件時(shí)的環(huán)境溫度與應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度差異應(yīng)在±15℃范圍內(nèi)，并應(yīng)根據(jù)溫度差對(duì) 檢測(cè)到的殘余應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，如果超出該溫度范圍，應(yīng)該選用特殊探頭或耦合劑，重新校準(zhǔn)應(yīng)力系數(shù)和零應(yīng)力聲時(shí)。
溫度改變會(huì)影響材料內(nèi)超聲縱波傳播速度，從而影響到殘余應(yīng)力的檢測(cè)準(zhǔn)確性。為提高檢測(cè)準(zhǔn)確性， 應(yīng)對(duì)檢測(cè)到的殘余應(yīng)力值進(jìn)行溫度補(bǔ)償和修正。補(bǔ)償之前可從材料手冊(cè)或試驗(yàn)方法（如GB/T 23900）獲得在工作溫度范圍內(nèi)被檢件材料的聲速溫度關(guān)系。
9 檢測(cè)報(bào)告檢測(cè)報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)至少包括下列信息：
a) 檢測(cè)單位、人員、日期等；
b) 被檢件的材料、厚度、表面粗糙度和曲率等；
c) 探頭中心頻率和間距、及檢測(cè)儀器的濾波帶寬、增益和采集頻率等；
d) 檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度；
e) 檢測(cè)區(qū)域；
f) 殘余應(yīng)力數(shù)值。
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