Page 78 - 无损检测2023年第一期
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陶一军, 等:
35CrMo钢弹性应力与超声纵横波的声时比关系
和运行过程中要准确地测定螺栓的实际应力值。 通过测定不同弹性应力下的纵波与横波的声速比,
超声波应力检测法是以声弹性原理为基础的一 依据声弹性公式 [ 7 ] 可以计算出其所受的弹性应力,
种简洁、 快速、 无损的应力测量方法 [ 3 ] , 其通过试验 建立弹性应力与纵波与横波声速比的关系。声弹性
建立弹性应力与超声纵波和横波声速的数学关系来 公式为
测定弹性应力大小。孙国峰 [ 4 ] 研究了超声波检测桥 v l
= R 0+C R σ ( 1 )
梁上关键部位的螺栓的应力, 并提出了温度影响标 v t
, 分别为超声纵波与横波在螺栓内的传
定曲线的修正方法, 认为修正后的曲线测量精度满 式中: v l v t
足现场要求。陈远林 [ 5 ] 提出了一种基于 sinc函数 播速度; C R 为声速比声弹性系数; σ 为钢材的轴向
内插的超声波检测模型, 用于测量航空发动机上连 应力。
接法兰孔小尺寸螺栓的应力, 并经过试验验证了该 超声波在钢材内部的传播速度不易准确测定,
模型的准确性。 PAN 等 [ 6 ] 提出了新的影响因子用 因此, 超声纵波与横波声速比不能准确确定, 但被测
钢材的长度是确定的, 超声纵波与横波的声速比就
于修正轴向应力分布不均对测量结果产生的误差,
并结合有限元仿真和标定试验实现了螺栓特性曲线 等于横波与纵波的传播时间之比, 即声时比。测定
的快速标定。 时, 可以获得超声横波与纵波由试样一端发射经另
文章以某水电厂水电机组蜗壳35CrMo钢螺栓 一端反射回来的传播时长, 根据试样长度, 计算得到
纵波与横波的声速比, 进而计算出轴向弹性应力 [ 8 ]
为研究对象, 通过多个试样在弹性范围的拉伸试验, 。
测定了超声纵波和横波在螺栓内的传播时长, 建立 3 试验结果及分析
超声横波与纵波的传播声时与应力的关系, 为利用
3.1 金相组织结果
超声波实时测定螺栓紧固力提供依据。
利用蔡司 AxioLab.A1 型金相显微镜对螺栓
1 试验方法 材料进行金相组织观察, 其显微组织如图1所示。
试样材料为 35CrMo钢, 尺寸为 24mm×138
mm ( 螺纹直径×长度), 共7个试样, 均在经860℃
油淬+510℃回火调质处理后, 进行金相组织观察、
拉伸试验和超声波测定。首先, 利用武汉中科创新
HS1020型超声波应力检测仪, 测定7个待测定试
样在未受轴向应力状态下的超声纵波与横波的声速
。 然后选取2个试样进行轴向拉伸,
比, 标定为R 0
直至断裂, 测定35CrMo钢的屈服极限和断裂强度
图1 35CrMo钢金相显微组织
及其对应的拉力值。屈服之前, 钢材处于弹性变形
由图1可以看出, 35CrMo钢试样经过调制处
阶段, 因此, 将屈服强度对应的拉力值确定为超声纵
波、 横波测定时的最大施加力, 施加力的范围小于该 理后, 组织状态良好, 为回火索氏体。
3.2 力学性能结果及拉力范围的确定
最大力。将专用探头固定于 35CrMo钢试样顶端,
并安装于拉力试验机上, 在小于之前确定的最大施 35CrMo钢拉伸获得的拉力和强度指标如表1
所示。
加力范围内, 从0kN 开始加力, 每隔50kN 停留2
-1
表1 35CrMo钢强度指标 kN · MPa
min , 测定超声纵波、 横波的传播时长, 计算超声纵
试样编号 拉力 / kN ; 屈服强度 / MPa 拉力 / kN ; 断裂强度 / MPa
波与横波声速的比值, 共计测定5个试样, 取其平均
# 305.72 ; 675.81 382.03 ; 844.76
值进行相关计算。选取相同的4个试样, 进行实际 1
# 295.18 ; 652.67 385.39 ; 815.87
2
应力值测定和超声波测定, 以分析超声波测定应力
平均值 300.49 ; 664.24 375.55 ; 830.32
的误差范围。
2 检测原理 由表1 可知, 35CrMo钢的屈服强度平均值为
664.24MPa , 对应的拉力为 300.49kN 。当拉力小
钢材在轴向拉伸的弹性变形阶段, 晶格会产生 于300.49kN 时, 钢材处于弹性变形范围内, 因此,
微量变形, 对超声纵波与横波的传播速度产生影响; 试验加力范围为0~300kN 。实际测定时, 在拉力
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2023年 第45卷 第1期
无损检测
