Page 45 - 无损检测2023年第十一期

陶一军, 等:

45钢弹性应力与超声纵波与横波声时比关系的分析

规定范围内。在螺栓紧固和拆卸过程中, 由于工艺 仪, 测定7个试件在未受轴向应力状态下的超声纵
与方法的制约, 其预紧力很难得到准确控制, 常常存 波与横波的声速之比, 标定为R 0 。将专用探头固定
在预紧力不足或过盈的问题。预紧力不足会导致螺 于45钢试件顶端, 并安装于拉力试验机上, 在小于

栓连接不充分, 可能产生相对滑动和密封不严问题。 最大施加力范围内, 从0kN 开始逐步增大施加力,

紧固过盈, 螺栓会产生塑性变形, 难以起到紧固作 每隔50kN 停留2min , 测量超声波纵波、 横波的传
用。螺栓在紧固和拆卸过程中, 如果承受冲击作用, 播时长, 计算超声纵波与横波声速的比值。共计测
螺纹根部可能产生裂纹。在运行过程中, 运行工况 定5个试件, 取其平均值进行相关计算。选取相同
变化而产生的载荷变化, 也会导致螺纹根部产生裂 的4个试件, 进行实际应力值测定和超声测定, 以分
纹, 严重时甚至会导致螺栓断裂, 引起重大事故。这 析超声测定应力的误差范围。
一问题的根源就在于, 在螺栓紧固、 拆卸和运行过程
2 测量原理
中不能准确判定螺栓的实际应力值。
超声波应力检测法是以声弹性原理为基础的一 钢材在轴向拉伸的弹性变形阶段, 晶格会产生
种简洁、 快速、 无损的应力测量方法 [ 2 ] 。根据超声弹 微量变形, 对超声波纵波与横波的传播速度产生影
性原理, 超声波在弹性固体中的传播速度与应力大 响。通过测定不同弹性应力下的超声波纵波与横波
小、 材料密度及弹性常数有关。超声波纵波、 横波在 声速比, 依据如式( 1 ) 所示的声弹性公式 [ 6 ] , 可以计
金属拉伸过程中, 对弹性应力有不同的反射特征, 通 算出其所受的弹性应力, 建立弹性应力与超声纵波
过试验, 可以建立弹性应力与超声波纵波和横波声 与横波声速比的关系。
速的数学关系, 由此, 可以定量测定弹性应力的大 v l
= R 0+C Rσ ( 1 )

小。孙国峰 [ 3 ] 研究了桥梁上关键部位螺栓应力的超 v t
、 分别为超声纵波与横波在螺栓内的传播速
声波检测, 并提出了温度影响标定曲线的修正方法, 式中: v lv t
为未受轴向应力下超声纵波与横波的声速之
认为修正后的曲线测量精度满足现场要求。陈远 度; R 0
林 [ 4 ] 提出了一种基于 sinc函数内插的超声波检测 比; C R 为声速比声弹性系数; σ 为钢材的轴向应力。
模型, 用于测量航空发动机上连接法兰孔小尺寸螺 超声波在钢材内部的传播速度不易准确测定,
但是被测钢材的长度是确定的, 那么超声波纵波与
栓的应力, 并经过试验验证了该模型的准确性。
横波的声速比就等于超声波纵波与横波的传播时间
PAN 等 [ 5 ] 提出了新的影响因子修正轴向应力分布
之比, 即声时比。测定时, 可以获得超声波纵波与横
不均对测量结果产生的误差, 并结合有限元仿真和
波由试件一端发射经另一端反射回来的传播时长,
标定试验实现了螺栓特性曲线的快速标定。
则根据试件长度能计算得到超声纵波与横波的声速
文章以某水电厂水电机组蜗壳45钢螺栓为研
比, 进而计算出轴向弹性应力 [ 7 ] 。
究对象, 通过多个试件在弹性范围的拉伸试验, 测定
超声波纵波和横波的声速, 建立超声波纵波和横波 3 试验结果及分析
的传播声时与应力的关系, 为利用超声波实时测定
3.1 金相组织结果
螺栓紧固力提供依据。
利用蔡司 AxioLab.A1 金相显微镜对螺栓材
1 试验方法及内容 料进行金相组织观察, 观察结果如图1所示。由图
1可以看出, 45钢试件经过调制处理后, 组织是常规
试验所用的材料为 45 钢, 试件尺寸为 M24×
的白色铁素体和回火索氏体。

138mm ( 共7个), 均经过850℃油淬及610℃回火 3.2 力学性能结果及拉力范围的确定
的调质处理后, 进行金相组织观察、 拉伸试验和超声
45钢拉伸获得的拉力和强度指标结果如表 1
波测定。选取2个试件进行轴向拉伸, 直至断裂, 测
所示。
定45钢的屈服极限和断裂强度及其对应的拉力值。 -1
表1 45钢强度指标 kN · MPa
达到屈服极限前, 钢材处于弹性变形阶段, 因此, 将
试件编号 拉力 / 屈服强度 拉力 / 断裂强度
屈服强度对应的拉力值确定为超声波纵波、 横波测
#
1 290.0 / 641 346.8 / 766
定时的最大施加力。 #
2 249.9 / 552 315.2 / 698

利用武汉中科创新 HS1020 超声波应力检测 平均值 269.9 / 597 331.0 / 732
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2023年 第45卷 第11期
无损检测