超声波消应力效果比较
超声波消除应力效果
对采用弧焊工艺的接头，焊趾缺陷不可避免。焊趾缺陷平行于焊缝，位于焊缝与母材之间。这种呈应力集中的缺陷与HAZ的粗晶区、与横向残余应力构成接头横向开裂的高危区域。美国AWSD1.1钢结构规范已明确：可采用锤击、碾压来降低残余应力，用光滑打磨、机加工或Tig重熔工艺来去除焊趾缺陷，以降低焊趾的开裂几率。项目组采用了乌克兰巴东焊接研究所提出的超声冲击工艺，对焊缝外表面进行了超声冲击处理，其一方面可以改变焊趾的应力集中缺陷，另一方面通过冲击屈服使表面的拉应力变成压应力。对于无内部缺陷的接头，在拉应力的条件下，首先由表面的缺陷在残余应力、工作应力、应力集中和腐蚀环境下产生裂纹，致使裂纹向内部扩展而造成失效破坏。超声冲击可以通过30000次/秒的频率的点冲击作用“消灭”表面缺陷，进而又因被冲击表面的屈服产生压应力，从而有效地提高了抑制拉应力破坏的能力。对A105钢试验筒体采用超声冲击的效果见表1，试验现场见图1。
表1 A105钢焊接筒体焊接残余应力采用超声冲击的消除效果[30]
σmax1 σmax2 σmax3 σmin1 σmin2 σmin3 焊接后310 219 267 54 -3 45
冲击后-27 -84 -98 -105 -124 -142
应力变化幅值337 304 365 159 120 187 上海交大同一项目组对超声冲击的影响深度进行了试验，结果见图2。
图1 试验环的超声冲击消应力处理
-600
-400
-200
200
400
残余应
力
（M P a )
测量深度（mm)
图2 冲击后测点应力按深度
变化的估计曲线
分析表明：采用超声冲击，在表面4mm 内可获得消应力＞20％的效果，从应力水平的角度，对其余厚度同样能获得平均约3％左右的下降效果。
残余应力检测方法
关于构件的残余应力检测（盲孔法检测） 一、前言 （1）应力概念 通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。 按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类： 第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。 第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。 第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。 在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。 （2）应力作用 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。 （3）应力的产生 在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： 1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变 （4）应力的调整 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： ①自然时效 把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效 热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力
残余应力无损检测技术的发展
残余应力无损检测技术的进展 曾令太 朱世根 顾伟生 (东华大学机械学院，上海 200051) E-mail:lintyle@https://www.wendangku.net/doc/1c9219460.html, 摘 要:本文叙述了当前广泛应用于各领域的残余应力无损检测技术，包括其检测原理、测试方法和应用特点，指出残余应力无损检测技术的研究工作仍将十分艰巨。 关键词:无损检测; 残余应力; 进展 0 引言 残余应力是当产生应力的各种因素不复存在时，平衡于材料内部的应力。实践表明，残余应力的大小及分布影响材料的疲劳强度、抗应力腐蚀性、尺寸稳定性和使用寿命。因此，对残余应力进行研究，具有十分重要的工程价值和意义。 残余应力检测技术始于上世纪30年代[1] 。根据检测方法对被测试件是否造成破坏，可将残余应力检测方法分为有损检测法和无损检测法。有损检测法利用机械加工或其它加工方法将残余应力释放，测量残余应力释放产生的释放应变，主要有盲孔法、环芯法[2]、截条法等。无损检测法利用材料物理性质的变化或晶体结构参数的变化测量残余应力，主要包括有X射线法、磁性法、超声波法、扫描电子声显微镜、材料的拉压异性法和位移场重建法[3]等。在本文中，笔者将着重介绍几种残余应力的无损检测技术。 1 X射线法 X射线衍射法最早由俄国学者Аκce нов于1929年提出，到了上世纪30年代，人们开始利用X射线来测定多晶体的应力。1961年德国学者E.Macherauch提出sin 2Ψ法后，逐渐成为X射线应力测定的标准方法。随后，Gloeker将其简化成0°～45°法，由于其手续简单、节省时间及对细晶材料误差不太大，在工业生产的宏观应力测定中得到了广泛应用。 1.1 检测原理 检测原理基于X射线衍射理论。在已知X射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定关系。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此可以通过测量衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。 1.1.1 sin 2Ψ法[4，5] 在一确定的坐标系中，若空间任一应变ψ?ε与主应变ε1、ε2、ε3的夹角为α、β、γ，根据弹性力学原理有： ψ?ε=ε1cos 2α+ε2cos 2β+ε3cos 2γ (1) 根据广义虎克定律和微分布拉格定律经过变换可得： 2002(1)2(2)sin ()180tg tg E E ?12π υυθθσθσ+??=???Ψ?+??+σ (2) 式中，, E υ --- 材料的杨氏模量和泊松比 - 1 -
无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法(标准状态：现行)
I C S19.100 J04 中华人民共和国国家标准 G B/T32073 2015 无损检测残余应力超声临界 折射纵波检测方法 N o n-d e s t r u c t i v e t e s t i n g T e s tm e t h o d f o rm e a s u r i n g r e s i d u a l s t r e s s u s i n g u l t r a s o n i c c r i t i c a l r e f r a c t e d l o n g i t u d i n a lw a v e 2015-10-09发布2016-06-01实施
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准由全国无损检测标准化技术委员会(S A C/T C56)提出并归口三本标准起草单位:北京理工大学三 本标准主要起草人:徐春广二肖定国二宋文涛二李焕新二潘勤学二刘帅三
无损检测残余应力超声临界 折射纵波检测方法 1范围 本标准规定了基于超声临界折射纵波(爬波)测量残余应力的无损检测方法三 本标准适用于检测透声性良好的金属和非金属固体材料和/或构件内的残余应力和载荷应力三 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的三凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件三凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件三 G B/T228.1金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法 G B/T11345 2013焊缝无损检测超声检测技术二检测等级和评定 G B/T12604.1无损检测术语超声检测 G B/T16923钢件的正火与退火 G B/T18852无损检测超声检验测量接触探头声束特性的参考试块和方法 G B/T25712振动时效工艺参数选择及效果评定方法 3术语和定义 G B/T12604.1界定的术语和定义适用于本文件三 4人员要求 按本标准实施检测的人员应通过残余应力超声临界折射纵波无损检测技术的专门培训三 5方法概要 当发射换能器激发超声纵波以第一临界角斜入射到被检件表面时,依据S n e l l定律,可在被检件材料内部产生超声临界折射纵波,并可被接收换能器接收到,如图1所示三依据声弹性原理,材料中的残余应力会影响超声纵波传播速度,当残余应力方向与纵波方向一致时,拉伸应力使超声纵波传播速度变慢或传播时间t延长,压缩应力使超声纵波传播速度加快或传播时间t缩短三因此,在激励和接收两换能器之间的距离(探头间距)保持不变的条件下,若测得零应力σ0对应的超声传播时间t0和被检件应力σ对应的超声传播时间t,根据时间差按式(1)或式(2)可求出被检件中的残余应力绝对值σ,即: σ-σ0=K(t-t0) (1)或 Δσ=KΔt (2)式中: Δσ 残余应力的变化量(应力差),Δσ=σ-σ0;
残余应力检测方法概述.
第1 页共 2页 残余应力检测方法概述 目前国际上普遍使用的残余应力检测方法种类十分繁多,为便于分类,人们往往根据测试过程中被测样品的破坏与否将测试方法分为:应力松弛法(样品将被破坏和无损检测法(样品不被破坏两类。以下我们简单归纳了现阶段较为常用的一些残余应力检测方法。 一、常见的残余应力检测方法: 1. 应力松弛法 (1 盲孔法 该方法最早由Mather 于1934年提出,其基本原理就是通过孔附近的应变变化,用弹性力学来分析小孔位置的应力,孔的位置和尺寸会影响最终的应力数值。由于这类设备操作起来非常简单,近年来被广泛使用。 (2 切条法 Ralakoutsky 在1888年提出了采用该方法测量材料的残余应力。在使用这种方法时需要沿特定方向将试件切出一条,然后通过测量试件切割位置的应变来计算残余应力。 (3 剥层法 该方法是通过物理或化学的方法去除试件的 一层并测量其去除后的曲率,根据测定的试件表面曲率变化就能计算出残余应力。该方法常用于形状简单的试件,且测试过程快捷。 2. 无损检测方法 (1 X 射线衍射法 X 射线方法是根据测量试件的晶体面间距变化来确定试件的应变,进而通过弹性力学方程推导计算得到残余应力,目前最被广泛使用的是Machearauch 于1961提
出的sin2ψ方法。日本最早研制成功了基于该方法的X 射线残余应力分析仪,为该方法的推广做出了巨大的贡献。 (2 中子衍射法。 中子衍射方法的原理和X 射线方法本质上是一样的,都是根据材料的晶体面间距变化来求得应变,并根据弹性力学方程计算残余应力。但中子散射能量更高,可以穿透的深度更大,当然中子衍射的成本也是最昂贵的。 (3 超声波法。 该方法的物理和实验依据是S.Oka 于1940年发现的声双折射现象,通过测定声折射所导致的声速和频谱变化反推出作用在试件上的应力。试件的晶体颗粒及取向会影响数据的准确度,尽管超声波方法也属无损检测方法,但其仍需进一步完善。二、最新的残余应力检测方法 cos α方法早在1978年就由S.Taira 等人提出, 但真正应用于残余应力测试设备中还是近几年的事情。日本Pulstec 公司于2012年研制出了世界上首款基于cos α方法的X 射线残余应力分析仪,图1是设备图片(型号:μ-x360n 。 第2 页共 2页
超声波测定摩擦焊接头残余应力
超声波测定摩擦焊接头残余应力 刘艳华!，杨思乾" （!#北京航空工艺研究所，北京!$$$"%；"#西北工业大学，西安&!$$&"） 摘要：采用!’()*超声聚焦探头对%’号钢摩擦焊接头进行试验检测，根据有限弹 性变形理论建立了超声波测定摩擦焊接头残余应力的计算模型，并计算出接头中轴向 残余应力和径向残余应力的分布规律。结果表明，摩擦焊接头焊缝区和近缝区的轴向 残余应力为压应力，而远离焊缝区域为拉应力；接头内径向残余应力在轴心处为压应 力，随着远离轴心逐渐由拉应力变为压应力，在接头边缘区域为拉应力。试验结果还表 明材料的各向异性对超声波测定摩擦焊接头残余应力有很重要的影响。比较超声检测 轴向应力分布规律与有限元法理论计算结果，发现两种方法求得的轴向应力分布规律 相近，但是本文提出的计算模型将减少残余应力误差，对摩擦焊接头残余应力的测定比 用有限元法理论计算结果更准确。 关键词：超声波；残余应力；测定 中图分类号：+,%%!#&文献标识码：-文章编号：$"’./.0$1（"$$$）$./’’/$% 刘艳华$序言 摩擦焊在航空工业中有着极其重要的应用，它 是在摩擦加热及顶锻变形过程中形成的固相接头， 接头内存在的残余应力对接头的性能有着较大的影 响，对于某些关键的接头可以说是存在其内部的一 种无形的缺陷。目前，残余应力的超声检测已引起 高度重视，成为国内外研究的前沿课题之一，也是迫 切需要解决的重大工程问题之一。 本文从建立超声波测定残余应力的计算模型入 手，通过超声波透射法对摩擦焊接头的试验检测，计 算出接头中的残余应力分布，并与用有限元法理论 计算出的应力分布相比较，发现两种方法求得的应 力分布规律相近。 !超声波测定应力计算模型 超声检测金属材料应力技术是建立在声弹性理 论基础之上的。它通过超声波在材料内部的传播特 性，利用应力引起的声双折射效应对应力进行测量。 由有限变形弹性理论可以得出，对于垂直平面应力 作用面传播的超声偏振横波和垂直平面应力作用面 传播的超声纵波，传播速度! " !、! " " 、! # （下标"代 表横波，下标#代表纵波）和主应力!!、!"之间存在 收稿日期：!222/$2/$& 基金项目：航空基金资助项目（203345$%$’）如下关系［!］ （! " ! /!" " ）6! " $ 7$"（!!/!"），（!） （! # /!# $ ）%! # $ 7$#（!!8!"），（"） 式中：! " $ 为应力为零时各向同性固体中超声横波速 度；! " ! 、! " " 为超声波在各向同性固体中超声横波速 度；! # 为超声波在各向同性固体中超声纵波速度；!# $ 为应力为零时各向同性固体中超声纵波速度；$ " 7%（"8&）%9""为横波声弹性常数，是与拉美常数"及三阶弹性常数&有关的物理量，可用试验求得；$#7［"’/#（(#8""）］%"（.#8""）（#8""）为超声纵波声弹性常数，它也是与拉美常数"、#，三阶弹性常数’、(有关的物理量，可用试验求得。 不难看出，如由试验求得! " $ 、! # $ 、! " ! 、! " " 、! # 和$ " 、$ # ，代入式（!）、（"），则可求出两主应力（或平面残余应力）。但是式（!）、（"）仅适用于各向同性固体，在计算各向异性摩擦焊接头的平均应力时，应对公式做一些修正。本课题首先通过试验分别测出去应力退火前后摩擦焊接头中的超声纵波传播速度，然后再由应力计算模型计算出接头中的应力分布。由于去应力退火时退火温度较低，退火前后接头的微观组织基本不发生变化，所以退火前后超声波声速的变化主要是由接头中的应力引起的。据此可以建立适于各向异性固体的应力计算模型，对摩擦焊接头中的平均应力分布状态进行计算。 图!所示为摩擦焊接头径向检测时的平面应力作用面，!!方向即是材料轧制方向，!# ! 为垂直于主 第"!卷第.期"$$$年2月 焊接学报 +:-;<-4+=>;<>?+)@4)=;-A@B5=;,=;<+=+C+=>; DEF#"!;E#. ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "$$$ 万方数据