一種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊,屬于無損檢測領域,該試塊的制作步驟包括切取試樣、試樣加工和試樣安裝,檢測采用水浸法,通過控制水溫不變能夠保證應力標定和應力測量過程的溫度一致,從而排除了溫度差異對超聲波速度的影響,消除溫度誤差,另外,采用自動掃查架代替手工掃查,能夠保證測量過程中探頭與待測材料表面的距離不變,從而排除耦合條件差異對聲傳播時間的影響,消除耦合誤差。該方法有利于對鋁合金預拉伸板近表面殘余應力進行無損評價。
【專利說明】一種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊,屬于無損檢測領域。
【背景技術】
[0002]在鍛造、焊接、熱處理等材料加工工序過程中,因變形或熱循環(huán)的不均勻性常常在材料中產生殘余應力。殘余應力的存在會對材料的機械加工性能、耐蝕性、疲勞性等方面產生影響,嚴重時會造成工件的變形、開裂,影響工件的正常使用。利用超聲波的“聲彈效應”測量殘余應力是一種殘余應力測量的新方法。它具有測量速度快、使用方便、測量范圍靈活、經濟性好等優(yōu)點,更重要的是,這一方法是無損的,能夠在不破壞材料殘余應力狀態(tài)的前提下測量殘余應力,這是目前大部分殘余應力測量方法所不具備的。X射線法雖然也能無損測量殘余應力,但其穿透深度較淺,無法測量近表面的應力。因此,超聲測量殘余應力是一種很有市場前途的方法。但是,由于超聲測量殘余應力主要基于對超聲傳播速度的測量,而不同材料中超聲傳播速度的差異遠大于材料中殘余應力造成的速度變化。因此,在測量某一材料中的應力之前,需要利用相應的試塊進行測量標定,使得目前的超聲殘余應力測量方法存在著標定程序復雜和應力不能長期保存兩個方面的問題。一方面,現有的超聲測量應力標定需要利用拉伸試驗機對試樣施加一定的載荷,需要制備專用拉伸試樣,并且要保證加載拉伸載荷時的溫度與測量溫度相同,從而使拉伸過程較為復雜,并且要依賴拉伸試驗機,所需設備復雜。另一方面,拉伸時加載的應力在卸載后因試樣的回彈而消失,試樣中的應力不能長久保存,這也給殘余應力的測量工作帶來很大的不便。因此,需要開發(fā)一種便于使用并且能長久保存的含有已知殘余應力的試塊。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明正是針對上述現有技術中存在的問題而設計提供了一種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊,其目的是提高鋁合金預拉伸板近表面殘余應力的檢測精度和深度,精度可達±40MPa,深度可達8mm。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0005]該種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊,其特征在于:該試塊的制作步驟為:
[0006]⑴切取試樣
[0007]在與待測預拉伸板材(13)相同批次的產品上切取一塊長100mm,寬90mm,厚20mm的矩形試樣,矩形試樣的一個最大表面為預拉伸板的軋制面,該最大表面稱試樣軋制面
(5),矩形試樣的長度方與預拉伸板的軋制方向相同,利用鉆孔法測量試樣軋制面⑴的殘余應力,測量點的數量為四個,其位置距試樣軋制面(5)長邊10mm、寬邊15mm,按順時針依次為測量點I (I)、測量點II (2)、測量點III (3)、測量點IV (4),各測量點的最大殘余應力值應小于50MPa ;[0008]⑵試樣加工
[0009]將矩形試樣切割為大、小兩塊試樣,大塊試樣的尺寸為:長100mm,寬60臟,厚20mm,小塊試樣的尺寸為:長40.01~40.10mm,寬19.95~19.99mm,厚20mm,在大塊試樣的中心加工出一個長40mm,寬20mm的方形通孔(6),該方形通孔(6)的長度方向與大塊試樣的長度方向相同,小塊試樣長度方向與加工前的矩形試樣的長度方向一致,小塊試樣與方形通孔(6)之間形成過盈配合;
[0010]⑶試樣安裝
[0011]將大塊試樣和小塊試樣在液氮中充分冷卻,取出后迅速將小塊試樣安裝在大塊試樣的方形通孔(6)內,溫度升高到室溫后將大塊試樣和小塊試樣的組合體的各面磨平,磨平后的組合體稱為試塊(9),利用鉆孔法測量試塊(9)上不帶試樣軋制面(5)的最大表面中心的殘余應力,將測量結果標識在試塊(9)上;
[0012]⑷重復以上步驟⑴、⑵、⑶制作3塊試塊(9)用于檢驗同一個批次的預拉伸板的殘余應力。
[0013]本發(fā)明的工作原理是:
[0014]本發(fā)明在利用拉伸試驗機標定超聲應力測量方法的基礎上,提出了利用冷卻安裝過盈配合的方法制作用于材料殘余應力超聲測量的試塊的制作方法。
[0015]由于超聲測量殘余應力必需利用相應的試塊進行測量標定,使得目前的超聲殘余應力測量方法存在著標定程序復雜和應力不能長期保存兩個方面的問題。一方面,現有的超聲測量應力標定需要利用拉伸試驗機對試樣施加一定的載荷,需要制備專用拉伸試樣,并且要保證加載拉伸載荷時的溫度與測量溫度相同,從而使拉伸過程較為復雜,并且要依賴拉伸試驗機,所需設備復雜。另一方面,拉伸時加載的應力在卸載后因試樣的回彈而消失,試樣中的應力不能長久保存,這也給殘余應力的測量工作帶來很大的不便。
[0016]針對第一個問題,采用冷卻安裝過盈試樣制造殘余應力,通過控制過盈量的大小使試塊中產生不同大小的殘余應力,從而擺脫對拉伸試驗機的依賴,利用這一試塊能夠快速完成應力標定工作。
[0017]針對第二個問題,采用冷卻安裝過盈試塊制造殘余應力,試塊在不受到較大外力或較高溫度的情況下長久保持一定的應力狀態(tài),從而使測量標定工作更加快捷。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點是:提出一種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊,有利于對鋁合金預拉伸板近表面殘余應力進行無損評價。使檢測具有檢測速度快、測量深度大經濟性好等優(yōu)點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為矩形試樣取樣方式及殘余應力測量點位置示意圖
[0020]圖2為大塊試樣結構及形式示意圖
[0021]圖3為小塊試樣的示意圖
[0022]圖4為試塊結構示意圖
[0023]圖5為檢測設備整體結構示意圖
[0024]圖6為超聲水浸探頭的掃描方式示意圖【具體實施方式】
[0025]以下將結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案作進一步地詳述:
[0026]實施例1
[0027]牌號為7050-T7451的鋁合金預拉伸板,其中的縱波聲速為3200m/s,長度500mm,寬度450mm,厚度160mm,要求檢測近表面2_內的殘余應力。其檢測步驟如下:
[0028]⑴制作參考試塊
[0029]1.1切取試樣
[0030]在與待測預拉伸板材13相同批次的產品上切取一塊長100mm,寬90臟,厚20mm的矩形試樣,矩形試樣的一個最大表面為預拉伸板的軋制面,該最大表面稱試樣軋制面5,矩形試樣的長度方與預拉伸板的軋制方向相同,利用鉆孔法測量試樣軋制面I的殘余應力,測量點的數量為四個,其位置距試樣軋制面I長邊10mm、寬邊15mm,按順時針依次為測量點I 1、測量點II 2、測量點III 3、測量點IV 4,如測得的最大殘余應力值不大于50MPa則保留該試樣,如大于50MPa則重新取樣,直到取得最大應力值小于50MPa的試樣為止;
[0031]1.2試樣加工
[0032]將矩形試樣切割為大、小兩塊試樣,大塊試樣的尺寸為:長100mm,寬60mm,厚20mm,小塊試樣的尺寸為:長40.01?40.10mm,寬19.95?19.99mm,厚20mm,在大塊試樣的中心加工出一個長40mm,寬20mm的方形通孔6,該方形通孔6的長度方向與大塊試樣的長度方向相同,小塊試樣長度方向與加工前的矩形試樣的長度方向一致,小塊試樣與方形通孔6之間形成過盈配合;
[0033]1.3試樣安裝
[0034]將大塊試樣和小塊試樣在液氮中充分冷卻,取出后迅速將小塊試樣安裝在大塊試樣的方形通孔6內,溫度升高到室溫后將大塊試樣和小塊試樣的組合體的各面磨平,磨平后的組合體稱為試塊9,利用鉆孔法測量試塊9上不帶試樣軋制面I的最大表面中心的殘余應力,將測量結果標識在試塊9上;
[0035]1.4重復以上步驟1.1、1.2、1.3,制作3塊試塊9用于檢驗同一個批次的預拉伸板的殘余應力;
[0036]⑵測量標定
[0037]2.1設備安裝
[0038]選擇兩個頻率同為5MHz的超聲水浸探頭7,超聲水浸探頭7安裝在掃查架8上,兩個超聲水浸探頭7處于同一個水平面上,兩個超聲水浸探頭7在的中心線8在同一個垂直平面內相交,兩個超聲水浸探頭7的中心線8與垂直方向的夾角為28。,方向相反,將一個超聲水浸探頭7連接到電脈沖信號發(fā)生器10的激發(fā)接口,另一個超聲水浸探頭7連接雙通道示波器11的輸入接口,電脈沖信號發(fā)生器10的輸出接口、同步接口與雙通道示波器11的輸入接口、同步接口對應連接,將試塊9水平安放在水槽14中的試樣臺12上,兩個超聲水浸探頭7置于試塊9的正上方兩側;
[0039]2.2確定測量參數
[0040]打開電脈沖信號發(fā)生器10和雙通道示波器11,通過調整兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度和與試塊9之間的水平距離,使雙通道示波器11采集的臨界折射縱波信號最大,讀取并記錄雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,更換試塊9,保持兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度以其與試塊9的相對位置不變,對所有試塊9讀取并記錄雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,以步驟1.3中測量的試塊9的最大表面中心的殘余應力為縱坐標,以時間間隔為橫坐標,在直角坐標系上繪制殘余應力與時間間隔關系曲線,將曲線進行線性擬合,擬合后直線的斜率稱為聲彈性系數K,該直線在橫坐標上的截距稱為零應力時間tQ ;
[0041]2.3殘余應力測量
[0042]從試樣臺12上取下試塊9,將待測鋁合金預拉伸板13安放在試樣臺12上,保持兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度與測量試塊9時一致,并使兩個超聲水浸探頭7與待測鋁合金預拉伸板13的水平距離與測量試塊9時一致,使掃查架8帶動兩個超聲水浸探頭7對待測鋁合金預拉伸板13進行逐行掃描,在每行掃描過程中,探頭每前進30mm讀取并記錄一次雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,每行之間的距離為15mm,直到整個預拉伸板掃描完畢;
[0043]2.4計算殘余應力
[0044]待測鋁合金預拉伸板13表面各測量點的殘余應力用以下公式計算:
[0045]σ ri = K(t-to)
[0046]式中:σ Η代表每一點處的殘余應力,K代表聲彈性系數,\代表每一點處測得的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,t0代表零應力時間。
[0047]2.5標記殘余應力
[0048]將測得的殘余應力值大于IOOMPa的區(qū)域在試樣上標出,完成殘余應力的測量。
[0049]實施例2
[0050]牌號為7050-T7451的鋁合金預拉伸板,其中的縱波聲速為3200m/s,長度600mm,寬度400_,厚度140_,要求檢測近表面4_內的殘余應力。其檢測步驟如下:
[0051]⑴制作參考試塊
[0052]1.1切取試樣
[0053]在與待測預拉伸板材13相同批次的產品上切取一塊長100mm,寬90臟,厚20mm的矩形試樣,矩形試樣的一個最大表面為預拉伸板的軋制面,該最大表面稱試樣軋制面5,矩形試樣的長度方與預拉伸板的軋制方向相同,利用鉆孔法測量試樣軋制面I的殘余應力,測量點的數量為四個,其位置距試樣軋制面I長邊10mm、寬邊15mm,按順時針依次為測量點I 1、測量點II 2、測量點III 3、測量點IV 4,如測得的最大殘余應力值不大于50MPa則保留該試樣,如大于50MPa則重新取樣,直到取得最大應力值小于50MPa的試樣為止;
[0054]1.2試樣加工
[0055]將矩形試樣切割為大、小兩塊試樣,大塊試樣的尺寸為:長100mm,寬60mm,厚20mm,小塊試樣的尺寸為:長40.01?40.10mm,寬19.95?19.99mm,厚20mm,在大塊試樣的中心加工出一個長40mm,寬20mm的方形通孔6,該方形通孔6的長度方向與大塊試樣的長度方向相同,小塊試樣長度方向與加工前的矩形試樣的長度方向一致,小塊試樣與方形通孔6之間形成過盈配合;
[0056]1.3試樣安裝
[0057]將大塊試樣和小塊試樣在液氮中充分冷卻,取出后迅速將小塊試樣安裝在大塊試樣的方形通孔6內,溫度升高到室溫后將大塊試樣和小塊試樣的組合體的各面磨平,磨平后的組合體稱為試塊9,利用鉆孔法測量試塊9上不帶試樣軋制面I的最大表面中心的殘余應力,將測量結果標識在試塊9上;
[0058]1.4重復以上步驟1.1、1.2、1.3,制作3塊試塊9用于檢驗同一個批次的預拉伸板的殘余應力;
[0059]⑵測量標定
[0060]2.1設備安裝
[0061]選擇兩個頻率同為2.25MHz的超聲水浸探頭7,超聲水浸探頭7安裝在掃查架8上,兩個超聲水浸探頭7處于同一個水平面上,兩個超聲水浸探頭7在的中心線8在同一個垂直平面內相交,兩個超聲水浸探頭7的中心線8與垂直方向的夾角為28。,方向相反,將一個超聲水浸探頭7連接到電脈沖信號發(fā)生器10的激發(fā)接口,另一個超聲水浸探頭7連接雙通道示波器11的輸入接口,電脈沖信號發(fā)生器10的輸出接口、同步接口與雙通道示波器11的輸入接口、同步接口對應連接,將試塊9水平安放在水槽14中的試樣臺12上,兩個超聲水浸探頭7置于試塊9的正上方兩側;
[0062]2.2確定測量參數
[0063]打開電脈沖信號發(fā)生器10和雙通道示波器11,通過調整兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度和與試塊9之間的水平距離,使雙通道示波器11采集的臨界折射縱波信號最大,讀取并記錄雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,更換試塊9,保持兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度以其與試塊9的相對位置不變,對所有試塊9讀取并記錄雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,以步驟1.3中測量的試塊9的最大表面中心的殘余應力為縱坐標,以時間間隔為橫坐標,在直角坐標系上繪制殘余應力與時間間隔關系曲線,將曲線進行線性擬合,擬合后直線的斜率稱為聲彈性系數K,該直線在橫坐標上的截距稱為零應力時間tQ ;
[0064]2.3殘余應力測量
[0065]從試樣臺12上取下試塊9,將待測鋁合金預拉伸板13安放在試樣臺12上,保持兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度與測量試塊9時一致,并使兩個超聲水浸探頭7與待測鋁合金預拉伸板13的水平距離與測量試塊9時一致,使掃查架8帶動兩個超聲水浸探頭7對待測鋁合金預拉伸板13進行逐行掃描,在每行掃描過程中,探頭每前進20_讀取并記錄一次雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,每行之間的距離為20mm,直到整個預拉伸板掃描完畢;
[0066]2.4計算殘余應力
[0067]待測鋁合金預拉伸板13表面各測量點的殘余應力用以下公式計算:
[0068]Ori = K(Vt0)
[0069]式中:σ H代表每一點處的殘余應力,K代表聲彈性系數,\代表每一點處測得的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,t0代表零應力時間。
[0070]2.5標記殘余應力
[0071]將測得的殘余應力值大于IOOMPa的區(qū)域在試樣上標出,完成殘余應力的測量。
[0072]實施例3
[0073]牌號為7050-T7451的鋁合金預拉伸板,其中的縱波聲速為3200m/s,長度600mm,寬度500mm,厚度80mm,要求檢測近表面8mm內的殘余應力。其檢測步驟如下:[0074]⑴制作參考試塊
[0075]1.1切取試樣
[0076]在與待測預拉伸板材13相同批次的產品上切取一塊長100mm,寬90mm,厚20mm的矩形試樣,矩形試樣的一個最大表面為預拉伸板的軋制面,該最大表面稱試樣軋制面5,矩形試樣的長度方與預拉伸板的軋制方向相同,利用鉆孔法測量試樣軋制面I的殘余應力,測量點的數量為四個,其位置距試樣軋制面I長邊10mm、寬邊15mm,按順時針依次為測量點I 1、測量點II 2、測量點III 3、測量點IV 4,如測得的最大殘余應力值不大于50MPa則保留該試樣,如大于50MPa則重新取樣,直到取得最大應力值小于50MPa的試樣為止;
[0077]1.2試樣加工
[0078]將矩形試樣切割為大、小兩塊試樣,大塊試樣的尺寸為:長100mm,寬60mm,厚20mm,小塊試樣的尺寸為:長40.01?40.10mm,寬19.95?19.99mm,厚20mm,在大塊試樣的中心加工出一個長40mm,寬20mm的方形通孔6,該方形通孔6的長度方向與大塊試樣的長度方向相同,小塊試樣長度方向與加工前的矩形試樣的長度方向一致,小塊試樣與方形通孔6之間形成過盈配合;
[0079]1.3試樣安裝
[0080]將大塊試樣和小塊試樣在液氮中充分冷卻,取出后迅速將小塊試樣安裝在大塊試樣的方形通孔6內,溫度升高到室溫后將大塊試樣和小塊試樣的組合體的各面磨平,磨平后的組合體稱為試塊9,利用鉆孔法測量試塊9上不帶試樣軋制面I的最大表面中心的殘余應力,將測量結果標識在試塊9上;
[0081]1.4重復以上步驟1.1、1.2、1.3,制作3塊試塊9用于檢驗同一個批次的預拉伸板的殘余應力;
[0082]⑵測量標定
[0083]2.1設備安裝
[0084]選擇兩個頻率同為IMHz的超聲水浸探頭7,超聲水浸探頭7安裝在掃查架8上,兩個超聲水浸探頭7處于同一個水平面上,兩個超聲水浸探頭7在的中心線8在同一個垂直平面內相交,兩個超聲水浸探頭7的中心線8與垂直方向的夾角為28。,方向相反,將一個超聲水浸探頭7連接到電脈沖信號發(fā)生器10的激發(fā)接口,另一個超聲水浸探頭7連接雙通道示波器11的輸入接口,電脈沖信號發(fā)生器10的輸出接口、同步接口與雙通道示波器11的輸入接口、同步接口對應連接,將試塊9水平安放在水槽14中的試樣臺12上,兩個超聲水浸探頭7置于試塊9的正上方兩側;
[0085]2.2確定測量參數
[0086]打開電脈沖信號發(fā)生器10和雙通道示波器11,通過調整兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度和與試塊9之間的水平距離,使雙通道示波器11采集的臨界折射縱波信號最大,讀取并記錄雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,更換試塊9,保持兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度以其與試塊9的相對位置不變,對所有試塊9讀取并記錄雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,以步驟1.3中測量的試塊9的最大表面中心的殘余應力為縱坐標,以時間間隔為橫坐標,在直角坐標系上繪制殘余應力與時間間隔關系曲線,將曲線進行線性擬合,擬合后直線的斜率稱為聲彈性系數K,該直線在橫坐標上的截距稱為零應力時間tQ ;[0087]2.3殘余應力測量
[0088]從試樣臺12上取下試塊9,將待測鋁合金預拉伸板13安放在試樣臺12上,保持兩個超聲水浸探頭7的傾斜角度與測量試塊9時一致,并使兩個超聲水浸探頭7與待測鋁合金預拉伸板13的水平距離與測量試塊9時一致,使掃查架8帶動兩個超聲水浸探頭7對待測鋁合金預拉伸板13進行逐行掃描,在每行掃描過程中,探頭每前進30mm讀取并記錄一次雙通道示波器11上顯示的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,每行之間的距離為20mm,直到整個預拉伸板掃描完畢;
[0089]2.4計算殘余應力
[0090]待測鋁合金預拉伸板13表面各測量點的殘余應力用以下公式計算:
[0091]Ori = K(Vt0)
[0092]式中:σ H代表每一點處的殘余應力,K代表聲彈性系數,\代表每一點處測得的發(fā)射波與接收波之間的時間間隔,t0代表零應力時間。
[0093]2.5標記殘余應力
[0094]將測得的殘余應力值大于150MPa的區(qū)域在試樣上標出,完成殘余應力的測量。
【權利要求】
1.一種用于鋁合金預拉伸板殘余應力水浸超聲檢測的試塊,其特征在于:該試塊的制作步驟為: ⑴切取試樣 在與待測預拉伸板材(13)相同批次的產品上切取一塊長100mm,寬90mm,厚20mm的矩形試樣,矩形試樣的一個最大表面為預拉伸板的軋制面,該最大表面稱試樣軋制面(5),矩形試樣的長度方與預拉伸板的軋制方向相同,利用鉆孔法測量試樣軋制面⑴的殘余應力,測量點的數量為四個,其位置距試樣軋制面(5)長邊10mm、寬邊15mm,按順時針依次為測量點I (I)、測量點II (2)、測量點III (3)、測量點IV (4),各測量點的最大殘余應力值應小于 50MPa ; ⑵試樣加工 將矩形試樣切割為大、小兩塊試樣,大塊試樣的尺寸為:長100_,寬60_,厚20_,小塊試樣的尺寸為:長40.01~40.1Omm,寬19.95~19.99mm,厚20mm,在大塊試樣的中心加工出一個長40mm,寬20mm的方形通孔(6),該方形通孔(6)的長度方向與大塊試樣的長度方向相同,小塊試樣長度方向與加工前的矩形試樣的長度方向一致,小塊試樣與方形通孔(6)之間形成過盈配合; ⑶試樣安裝 將大塊試樣和小塊試樣在液氮中充分冷卻,取出后迅速將小塊試樣安裝在大塊試樣的方形通孔(6)內,溫度升高到室溫后將大塊試樣和小塊試樣的組合體的各面磨平,磨平后的組合體稱為試塊(9),利用 鉆孔法測量試塊(9)上不帶試樣軋制面(5)的最大表面中心的殘余應力,將測量結果標識在試塊(9)上; ⑷重復以上步驟⑴、⑵、⑶制作3塊試塊(9)用于檢驗同一個批次的預拉伸板的殘余應力。
【文檔編號】G01N29/30GK103543212SQ201310534554
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權日:2013年11月1日
【發(fā)明者】王曉, 梁菁, 史亦韋, 林立志, 王弘 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院