徐春廣,宋文濤,潘勤學(xué),李 驍,靳 鑫,劉海洋
(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)
殘余應(yīng)力是材料內(nèi)部不均勻塑性變形引起的自身保持平衡的彈性應(yīng)力。根據(jù)德國學(xué)者M(jìn)acherauch(馬赫勞赫)博士于1973年提出的內(nèi)應(yīng)力模型[1],可將殘余應(yīng)力分為三類。第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是材料中晶粒之間的平均應(yīng)力,作用范圍是毫米級;第Ⅱ類內(nèi)應(yīng)力作用在單個晶粒內(nèi),各晶粒之間因彈性和塑性各向異性而不同;第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力存在于晶粒中,其本質(zhì)上是由晶粒內(nèi)存在的位錯和其它缺陷造成的。第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力稱為宏觀殘余應(yīng)力,第Ⅱ類和第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力統(tǒng)稱為微觀應(yīng)力。通常檢測到的是宏觀殘余應(yīng)力。
殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要源于不均勻的彈塑性變形、不均勻的溫度變化以及不均勻的相變。在很多情況下,殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是以上三種因素綜合作用的結(jié)果[2]。加工制造過程中,殘余應(yīng)力不可避免,其影響有利有弊,一方面希望消除殘余拉應(yīng)力,另一方面希望預(yù)置殘余壓應(yīng)力。如對于大型拼焊構(gòu)件,焊接殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致構(gòu)件變形或開裂,造成早期失效;而對于軋輥、齒輪、軸承、彈簧、曲軸、身管之類的零部件,主要考慮如何通過施加殘余壓應(yīng)力來提高零件的疲勞強(qiáng)度[3]。
為了有效地控制和利用殘余應(yīng)力,需要準(zhǔn)確地檢測出殘余應(yīng)力值,并對其狀態(tài)進(jìn)行合理的評估。目前殘余應(yīng)力檢測的方法有很多,如X射線法、盲孔法、巴克豪森法等。2012年,意大利Rossini教授對比分析各種檢測方法后認(rèn)為,超聲波法是殘余應(yīng)力的無損檢測發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一[3]。超聲波應(yīng)力檢測是基于超聲波波速與材料應(yīng)力間的線性關(guān)系,這個關(guān)系即為在材料彈性極限內(nèi)表現(xiàn)出的聲彈性效應(yīng),該效應(yīng)表明了聲時與應(yīng)力的線性相關(guān)。筆者首先介紹了殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波法的基本原理;然后搭建了超聲應(yīng)力檢測與校準(zhǔn)系統(tǒng),分別利用超聲臨界折射縱波法和X射線衍射法對Q235鋼、45號鋼、鋁合金等試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測,并對比研究不同方法檢測的結(jié)果;最后,利用建立的超聲應(yīng)力檢測與校準(zhǔn)系統(tǒng),應(yīng)用到對焊縫、平板類零件、軸類零件、管類內(nèi)壁、螺栓、涂覆層下、玻璃及陶瓷等的殘余應(yīng)力分布檢測中。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),沿應(yīng)力方向傳播臨界折射縱波
(LCR)波速與應(yīng)力之間的關(guān)系如下[5-7]:
式中:v為有應(yīng)力情況下LCR波的傳播速度;ρ0為被測材料的密度;λ和μ為材料的二階彈性常數(shù);l和μ為三階彈性常數(shù);σ為應(yīng)力值,正值表示拉應(yīng)力,負(fù)值表示壓應(yīng)力。
對式(1)兩邊分別求導(dǎo)得出聲速的變化量與應(yīng)力的變化量之間的關(guān)系:
式中:dσ為應(yīng)力的改變量;dv為LCR波傳播速度的改變量;v0為零應(yīng)力條件下縱波的傳播速度;K為聲彈性常數(shù)。
由式(2)可得,在固定傳播距離內(nèi),應(yīng)力與聲速的關(guān)系可以簡化為:
式中:K0=;K0為應(yīng)力常數(shù);t0為零應(yīng)力條件下LCR波傳播固定距離所需要的時間。
由式(3)可知,通過精確測量LCR波傳播的聲時或聲時差,就可以計算得到對應(yīng)的應(yīng)力值。
基于Snell定律,采用一發(fā)一收模式,利用第一臨界角加工出有機(jī)玻璃透聲楔,激勵出的超聲臨界折射縱波可檢測工件表面以下一定深度的殘余應(yīng)力值,滲透深度是其頻率的函數(shù),如圖1所示。通常情況下頻率太低,在較薄構(gòu)件中容易激發(fā)出導(dǎo)波[8],同時對應(yīng)力敏感度降低;頻率太高,滲透深度太淺,表面粗糙度對測試結(jié)果影響增大,同時波形衰減很嚴(yán)重。
圖1 LCR波的激勵與被測殘余應(yīng)力區(qū)域
在殘余應(yīng)力檢測過程中,環(huán)境溫度造成的檢測誤差不可忽視,尤其是在戶外長期作業(yè)時。研究表明,對于普通鋼材,1℃的溫度變化平均可以引起75MPa左右的應(yīng)力變化[9]。因此,必須在檢測系統(tǒng)中引入溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)通過理論分析和溫度時差試驗,得到溫度與聲時的關(guān)系表達(dá)式,然后編入系統(tǒng)軟件,由系統(tǒng)軟件根據(jù)采集的溫度數(shù)值自動消除溫度造成的誤差。
為了確保檢測值準(zhǔn)確(精度始終維持在其誤差范圍之內(nèi)),需要定期對殘余應(yīng)力超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。圖2是利用微機(jī)控制拉伸機(jī)進(jìn)行絕對校準(zhǔn)的流程圖,圖3是對685鋼拉伸試樣進(jìn)行校準(zhǔn)時的聲時-應(yīng)力曲線圖,從圖中看出,校準(zhǔn)后的曲線更接近實際加載應(yīng)力曲線,滿足檢測精度在-20~20MPa范圍之內(nèi)。
圖2 系統(tǒng)絕對校準(zhǔn)流程圖
系統(tǒng)適用材料范圍為金屬、玻璃、陶瓷等,適用工件類別為平板、軸類、盤類、管道、螺栓、涂覆層下等;檢測范圍(σs為被測材料屈服強(qiáng)度)為-σs~σsMPa;檢測誤差為-20~20MPa;溫度范圍為0~30℃;檢測深度為0.5~150mm;每個檢測點的時間為0.5~2min。
圖3 系統(tǒng)絕對校準(zhǔn)的聲時-應(yīng)力曲線
X射線檢測設(shè)備采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的MSF-3M射線應(yīng)力分析儀。其主要參數(shù)分別是:管電壓為30kV(固定);管電流為0.5~10mA(連續(xù)可調(diào));X射線類型為Ka;靶材為Cr;有效聚焦為4mm×4mm;2θ測角范圍為140°~170°;ψ測角范圍為0°~45°。
試驗前,確保X射線應(yīng)力分析儀的檢測精度,利用X射線應(yīng)力分析儀對零應(yīng)力鐵粉進(jìn)行檢測,結(jié)果在-2.74~1.5MPa范圍內(nèi),滿足精度要求。
選用Q235鋼,試樣表面粗糙度Ra不大于3.2μm。試樣共12塊,分為A、B兩組,每組6塊,按順序編號。
對A、B兩組試樣分別采用超聲和X射線應(yīng)力進(jìn)行檢測,超聲檢測前需要進(jìn)行零應(yīng)力標(biāo)定,取每組的編號1試樣作為零應(yīng)力標(biāo)定,每個試樣都重復(fù)檢測直至穩(wěn)定。由于殘余應(yīng)力在不同方向上具有一定的差異,所以在用X射線法檢測殘余應(yīng)力時,應(yīng)保證其檢測方向與超聲檢測方向相同。使用的超聲應(yīng)力傳感器兩個換能器的間距為50mm,在超聲檢測區(qū)域選取3個等分區(qū)域,每次利用X射線檢測其中一個區(qū)域,每個試樣都檢測3次,如圖4所示。
圖4 Q235鋼超聲與X射線檢測區(qū)域示意圖
采用噴丸工藝制作殘余壓應(yīng)力定值試塊,試塊材料為685鋼,表面粗糙度Ra不大于3.2μm。噴丸前對試塊進(jìn)行退火處理(加熱到450℃保溫2h,然后再隨爐冷卻),以消除初始應(yīng)力。熱處理后,對工件表面氧化膜進(jìn)行清理,然后對試塊采用單個噴嘴進(jìn)行噴丸處理。將試塊放入保溫箱(溫度在18~22℃),以防止長時間晝夜溫差大造成試塊應(yīng)力自然釋放。
對6mm厚和20mm厚定值試塊的殘余應(yīng)力分別采用超聲法與X射線法進(jìn)行長期監(jiān)測。超聲法零應(yīng)力標(biāo)定采用不同厚度分開標(biāo)定,即利用6mm厚經(jīng)退火處理而未噴丸的試塊標(biāo)定6mm厚定值試塊零應(yīng)力,20mm厚經(jīng)退火處理而未噴丸的試塊標(biāo)定20mm厚定值試塊零應(yīng)力。定值試塊的監(jiān)測區(qū)域如圖5所示。
圖5 685鋼噴丸定值試塊殘余應(yīng)力長期監(jiān)測區(qū)域
加工一45號鋼C形環(huán),試樣表面粗糙度Ra不大于3.2μm。通過旋動螺母,調(diào)節(jié)C形環(huán)的徑向壓縮量,從而實現(xiàn)應(yīng)力加載。分別采用超聲法和X射線法檢測加載的應(yīng)力,超聲法零應(yīng)力標(biāo)定在徑向壓縮量為0mm時,檢測的現(xiàn)場和檢測區(qū)域如圖6所示。
圖6 45號鋼C形環(huán)應(yīng)力檢測區(qū)域示意圖
對LY12鋁合金:試樣分別采用超聲與X射線進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。試樣表面經(jīng)過精磨加工,圖7為鋁合金試樣的檢測區(qū)域示意圖,其中超聲檢測區(qū)域為5個長方形區(qū)域,從左到右依次編號;X射線檢測區(qū)域為15個方形區(qū)域,即每個超聲檢測區(qū)域?qū)?yīng)3個X射線區(qū)域。超聲檢測的零應(yīng)力標(biāo)定等方法與3.1中Q235鋼的試驗方法相同。
圖7 鋁合金超聲與X射線檢測區(qū)域示意圖
將A、B兩組的檢測均值繪制成對比折線圖如圖8,9。
本研究發(fā)現(xiàn),石河子大學(xué)本科生學(xué)習(xí)動機(jī)居中等程度。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),總平均分小于臨界的比例相當(dāng)大,共96人,即有52.17%的大學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)水平不高;總平均分高于4分的(學(xué)習(xí)動機(jī)較強(qiáng))僅4人,占總?cè)藬?shù)的2.17%。從總體上看,本研究證實了當(dāng)今大學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)偏低,只有在能力追求維度上得分接近4分,其余均不到3分。因此,需要在教育教學(xué)中重視石河子大學(xué)本科生的學(xué)習(xí)動機(jī)。
圖8 Q235鋼A組試樣超聲與射線檢測結(jié)果對比
圖9 Q235鋼B組試樣超聲與射線檢測結(jié)果對比
對6mm厚685鋼定值試塊的殘余應(yīng)力長期監(jiān)測結(jié)果如圖10;對20mm厚定值試塊的殘余應(yīng)力長期監(jiān)測結(jié)果如圖11。
圖10 6mm厚定值試塊超聲與射線監(jiān)測結(jié)果對比
圖11 20mm厚定值試塊超聲與射線監(jiān)測結(jié)果對比
將C形環(huán)應(yīng)力加載試驗的兩種方法檢測值繪制成對比折線圖如圖12。
圖12 C形環(huán)兩次應(yīng)力加載的超聲與射線檢測結(jié)果對比
將鋁合金試驗檢測均值繪制成對比折線圖如圖13所示。
圖13 鋁合金超聲與射線檢測結(jié)果對比
綜合對Q235鋼、685鋼、45號鋼、鋁合金等材料的超聲與X射線檢測結(jié)果可以看出,超聲法殘余應(yīng)力檢測值和X射線法應(yīng)力檢測值并不相同,這是因為超聲法檢測的面積和深度與X射線法不同,但是應(yīng)力趨勢基本相同,尤其是從4.3中對C形環(huán)應(yīng)力加載后的應(yīng)力折線圖可以看出。
由此可見,超聲法與X射線法都可以反應(yīng)構(gòu)件殘余應(yīng)力狀態(tài)和趨勢,其理論上應(yīng)該有一定的對應(yīng)關(guān)系,但是目前缺乏確切的理論依據(jù)。
X射線法的理論與應(yīng)用都較為完善,各國都有其檢測標(biāo)準(zhǔn)。超聲波法是近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù),因此暫無可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此,北京理工大學(xué)檢測與控制研究所擬定了《無損檢測——殘余應(yīng)力的超聲臨界折射縱波無損檢測方法》的國家標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)已于2013年11月通過國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會的初步審定。該團(tuán)隊通過對標(biāo)準(zhǔn)總則的進(jìn)一步完善以及制定殘余應(yīng)力超聲檢測的校準(zhǔn)和試塊標(biāo)準(zhǔn),最終形成一整套的超聲殘余應(yīng)力檢測標(biāo)準(zhǔn)體系。
在我國“西氣東輸”工程中,為提高輸氣速度與輸氣量,須提高輸送壓力。然而由于管道焊縫殘余應(yīng)力的影響,壓力提高后,焊縫附近很容易因殘余拉應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋,進(jìn)而導(dǎo)致爆管事故。
利用殘余應(yīng)力超聲檢測與校準(zhǔn)系統(tǒng),對新疆克拉瑪依“西氣東輸”管道焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場檢測,評估其危險區(qū)域,如圖14所示,該管道材料為X70鋼,焊接工藝為手工電弧焊。為了說明評估結(jié)果的準(zhǔn)確性,將危險段切下進(jìn)行打壓爆管試驗,結(jié)果如圖15所示,爆破處與評估得出的危險區(qū)域基本相符。
圖14 管道焊縫殘余應(yīng)力檢測現(xiàn)場圖
圖15 管道爆管試驗驗證
焊接殘余應(yīng)力的分布不均,會導(dǎo)致車輛在服役過程中重要部位會發(fā)生彎曲變形,甚至產(chǎn)生裂紋,最終開裂。利用該裝置先后對內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)和北方重工集團(tuán)的車輛焊縫及母材的殘余應(yīng)力進(jìn)行了超聲無損檢測適應(yīng)性研究,如圖16所示。該材料為685鋼,焊接工藝為氬弧焊。
圖16 焊接殘余應(yīng)力檢測
圖17 焊縫兩側(cè)焊接殘余應(yīng)力分布
車輛扭力軸為承力部件,容易失效。如果在加工制造過程中,扭力軸產(chǎn)生較大殘余拉應(yīng)力,則會加快扭力軸的疲勞斷裂。因此,需要在使用前對扭力軸的殘余應(yīng)力進(jìn)行評估。試驗針對某一型號的扭力軸,沿著扭力軸0°,90°,180°和270°四條母線方向,每移動50mm進(jìn)行一次超聲殘余應(yīng)力檢測,將數(shù)據(jù)繪制成應(yīng)力云圖如圖18所示。從圖中可看出,扭力軸整體應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力,局部地區(qū)有50MPa左右的拉應(yīng)力。
通常身管內(nèi)壁要人為產(chǎn)生自緊應(yīng)力層,但是,往往由于自緊應(yīng)力層應(yīng)力分布不均會引起彎曲變形。無損地檢測出身管自緊應(yīng)力分布狀況并及時采取修正措施,可以提高管類構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和使用壽命。圖19為試驗研究結(jié)果,這是國際上首次檢測到身管內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布狀態(tài),與實際結(jié)果吻合。
圖18 扭力軸殘余應(yīng)力的分布云圖
圖19 身管自緊應(yīng)力分布云圖
利用超聲波橫縱波探頭,對3種不同材料(奧氏體不銹鋼、低碳鋼、碳鋼)的螺栓進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測,如圖20(a)所示,應(yīng)力加載試驗在拉伸機(jī)上進(jìn)行。試驗前,將螺帽處銑削平整,保證橫縱波探頭與螺栓良好接觸,達(dá)到理想耦合效果。圖20(b)為奧氏體不銹鋼螺栓的加載應(yīng)力與超聲波檢測對比圖,試驗結(jié)果表明,檢測平均誤差在10%以內(nèi)。
對于含有較薄防腐層的構(gòu)件,超聲波可以滲透防腐層,對構(gòu)件涂覆層下的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測。圖21是對涂有漆膜的鋁合金試件進(jìn)行殘余應(yīng)力超聲檢測的現(xiàn)場。試驗表明,利用超聲波法,鋁板涂覆層下的表面應(yīng)力分布可以較好的檢測出來,但是對于漆膜內(nèi)部以及漆膜與鋁板之間的粘接層應(yīng)力大小還無法檢測。
很早人們就發(fā)現(xiàn)玻璃、液晶平板等材料中的應(yīng)力分布通常是不均勻的,嚴(yán)重時會降低玻璃制品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性,影響制品的安全使用,甚至?xí)l(fā)生自裂現(xiàn)象。然而,考慮到檢測的效率和準(zhǔn)確性,玻璃的應(yīng)力檢測一直沒有較好的手段。
圖20 螺栓軸向應(yīng)力測量
圖21 涂有漆膜的鋁合金試件殘余應(yīng)力檢測
對6mm×120mm×120mm的平板玻璃采用超聲殘余應(yīng)力檢測。檢測前,對玻璃中部區(qū)域進(jìn)行加熱處理(100~150℃),然后風(fēng)冷到室溫,從而人為預(yù)置一定殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力檢測結(jié)果如圖22所示,從圖中看出,通過加熱處理后,平板玻璃產(chǎn)生最大16MPa的殘余應(yīng)力。
圖22 玻璃表面殘余應(yīng)力分布云圖
(1)采用斜入射一發(fā)一收模式,激勵出的超聲臨界折射縱波(LCR波)可檢測工件表面以下一定深度(與換能器的頻率有關(guān))的殘余應(yīng)力值,實現(xiàn)對殘余應(yīng)力的快速無損檢測。
(2)對比超聲法與X射線法的試驗結(jié)果表明,兩種方法的檢測值并不相同,這是因為超聲法檢測的面積和深度與X射線法不同,但是應(yīng)力趨勢基本相同。超聲法與X射線法都可以在一定程度上反應(yīng)構(gòu)件殘余應(yīng)力狀態(tài)和趨勢,其理論上應(yīng)該有一定的對應(yīng)關(guān)系。
(3)對比超聲法與X射線法的優(yōu)缺點可以看出,超聲法具有普遍使用、非??焖?、低成本、較佳的分辨率和滲透力、手持式、無輻射污染等諸多優(yōu)點,具有廣闊的發(fā)展空間。但是目前還沒有相關(guān)的國際和國家標(biāo)準(zhǔn),阻礙了技術(shù)的推廣。目前,研究團(tuán)隊已經(jīng)擬定了《無損檢測——殘余應(yīng)力的超聲臨界折射縱波無損檢測方法》的國家標(biāo)準(zhǔn),并已于2013年11月通過國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會的初步審定。
(4)通過將超聲應(yīng)力檢測與校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用到焊縫、平板類零件、軸類零件、管類內(nèi)壁、螺栓、涂覆層下、玻璃及陶瓷等的殘余應(yīng)力分布檢測中,說明了殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法的準(zhǔn)確性、實用性以及應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性。
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