一种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块的制作方法
【专利摘要】本发明是一种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块，属于无损检测领域，该试块的制作步骤包括切取试样、试样加工和试样安装，检测采用水浸法，通过控制水温不变能够保证应力标定和应力测量过程的温度一致，从而排除了温度差异对超声波速度的影响，消除温度误差，另外，采用自动扫查架代替手工扫查，能够保证测量过程中探头与待测材料表面的距离不变，从而排除耦合条件差异对声传播时间的影响，消除耦合误差。该方法有利于对铝合金预拉伸板近表面残余应力进行无损评价。
【专利说明】一种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块
【技术领域】
[0001]本发明是一种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块，属于无损检测领域。
【背景技术】
[0002]在锻造、焊接、热处理等材料加工工序过程中，因变形或热循环的不均匀性常常在材料中产生残余应力。残余应力的存在会对材料的机械加工性能、耐蚀性、疲劳性等方面产生影响，严重时会造成工件的变形、开裂，影响工件的正常使用。利用超声波的“声弹效应”测量残余应力是一种残余应力测量的新方法。它具有测量速度快、使用方便、测量范围灵活、经济性好等优点，更重要的是，这一方法是无损的，能够在不破坏材料残余应力状态的前提下测量残余应力，这是目前大部分残余应力测量方法所不具备的。X射线法虽然也能无损测量残余应力，但其穿透深度较浅，无法测量近表面的应力。因此，超声测量残余应力是一种很有市场前途的方法。但是，由于超声测量残余应力主要基于对超声传播速度的测量，而不同材料中超声传播速度的差异远大于材料中残余应力造成的速度变化。因此，在测量某一材料中的应力之前，需要利用相应的试块进行测量标定，使得目前的超声残余应力测量方法存在着标定程序复杂和应力不能长期保存两个方面的问题。一方面，现有的超声测量应力标定需要利用拉伸试验机对试样施加一定的载荷，需要制备专用拉伸试样，并且要保证加载拉伸载荷时的温度与测量温度相同，从而使拉伸过程较为复杂，并且要依赖拉伸试验机，所需设备复杂。另一方面，拉伸时加载的应力在卸载后因试样的回弹而消失，试样中的应力不能长久保存，这也给残余应力的测量工作带来很大的不便。因此，需要开发一种便于使用并且能长久保存的含有已知残余应力的试块。
【发明内容】
[0003]本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块，其目的是提高铝合金预拉伸板近表面残余应力的检测精度和深度，精度可达±40MPa，深度可达8mm。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0005]该种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块，其特征在于:该试块的制作步骤为:
[0006]⑴切取试样
[0007]在与待测预拉伸板材(13)相同批次的产品上切取一块长100mm，宽90mm，厚20mm的矩形试样，矩形试样的一个最大表面为预拉伸板的轧制面，该最大表面称试样轧制面
(5)，矩形试样的长度方与预拉伸板的轧制方向相同，利用钻孔法测量试样轧制面⑴的残余应力，测量点的数量为四个，其位置距试样轧制面(5)长边10mm、宽边15mm，按顺时针依次为测量点I (I)、测量点II (2)、测量点III (3)、测量点IV (4)，各测量点的最大残余应力值应小于50MPa ；[0008]⑵试样加工
[0009]将矩形试样切割为大、小两块试样，大块试样的尺寸为:长100mm，宽60臟，厚20mm，小块试样的尺寸为:长40.01~40.10mm，宽19.95~19.99mm，厚20mm，在大块试样的中心加工出一个长40mm,宽20mm的方形通孔(6),该方形通孔(6)的长度方向与大块试样的长度方向相同，小块试样长度方向与加工前的矩形试样的长度方向一致，小块试样与方形通孔(6)之间形成过盈配合；
[0010]⑶试样安装
[0011]将大块试样和小块试样在液氮中充分冷却，取出后迅速将小块试样安装在大块试样的方形通孔(6)内，温度升高到室温后将大块试样和小块试样的组合体的各面磨平，磨平后的组合体称为试块(9)，利用钻孔法测量试块(9)上不带试样轧制面(5)的最大表面中心的残余应力，将测量结果标识在试块(9)上；
[0012]⑷重复以上步骤⑴、⑵、⑶制作3块试块(9)用于检验同一个批次的预拉伸板的残余应力。
[0013]本发明的工作原理是:
[0014]本发明在利用拉伸试验机标定超声应力测量方法的基础上，提出了利用冷却安装过盈配合的方法制作用于材料残余应力超声测量的试块的制作方法。
[0015]由于超声测量残余应力必需利用相应的试块进行测量标定，使得目前的超声残余应力测量方法存在着标定程序复杂和应力不能长期保存两个方面的问题。一方面，现有的超声测量应力标定需要利用拉伸试验机对试样施加一定的载荷，需要制备专用拉伸试样，并且要保证加载拉伸载荷时的温度与测量温度相同，从而使拉伸过程较为复杂，并且要依赖拉伸试验机，所需设备复杂。另一方面，拉伸时加载的应力在卸载后因试样的回弹而消失，试样中的应力不能长久保存，这也给残余应力的测量工作带来很大的不便。
[0016]针对第一个问题，采用冷却安装过盈试样制造残余应力，通过控制过盈量的大小使试块中产生不同大小的残余应力，从而摆脱对拉伸试验机的依赖，利用这一试块能够快速完成应力标定工作。
[0017]针对第二个问题，采用冷却安装过盈试块制造残余应力，试块在不受到较大外力或较高温度的情况下长久保持一定的应力状态，从而使测量标定工作更加快捷。
[0018]本发明的优点是:提出一种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块，有利于对铝合金预拉伸板近表面残余应力进行无损评价。使检测具有检测速度快、测量深度大经济性好等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为矩形试样取样方式及残余应力测量点位置示意图
[0020]图2为大块试样结构及形式示意图
[0021]图3为小块试样的示意图
[0022]图4为试块结构示意图
[0023]图5为检测设备整体结构示意图
[0024]图6为超声水浸探头的扫描方式示意图【具体实施方式】
[0025]以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述:
[0026]实施例1
[0027]牌号为7050-T7451的铝合金预拉伸板，其中的纵波声速为3200m/s，长度500mm，宽度450mm,厚度160mm,要求检测近表面2_内的残余应力。其检测步骤如下:
[0028]⑴制作参考试块
[0029]1.1切取试样
[0030]在与待测预拉伸板材13相同批次的产品上切取一块长100mm，宽90臟，厚20mm的矩形试样，矩形试样的一个最大表面为预拉伸板的轧制面，该最大表面称试样轧制面5,矩形试样的长度方与预拉伸板的轧制方向相同，利用钻孔法测量试样轧制面I的残余应力，测量点的数量为四个，其位置距试样轧制面I长边10mm、宽边15mm，按顺时针依次为测量点I 1、测量点II 2、测量点III 3、测量点IV 4，如测得的最大残余应力值不大于50MPa则保留该试样，如大于50MPa则重新取样，直到取得最大应力值小于50MPa的试样为止；
[0031]1.2试样加工
[0032]将矩形试样切割为大、小两块试样，大块试样的尺寸为:长100mm，宽60mm，厚20mm，小块试样的尺寸为:长40.01?40.10mm，宽19.95?19.99mm，厚20mm，在大块试样的中心加工出一个长40mm，宽20mm的方形通孔6，该方形通孔6的长度方向与大块试样的长度方向相同，小块试样长度方向与加工前的矩形试样的长度方向一致，小块试样与方形通孔6之间形成过盈配合；
[0033]1.3试样安装
[0034]将大块试样和小块试样在液氮中充分冷却，取出后迅速将小块试样安装在大块试样的方形通孔6内，温度升高到室温后将大块试样和小块试样的组合体的各面磨平，磨平后的组合体称为试块9，利用钻孔法测量试块9上不带试样轧制面I的最大表面中心的残余应力，将测量结果标识在试块9上；
[0035]1.4重复以上步骤1.1、1.2、1.3，制作3块试块9用于检验同一个批次的预拉伸板的残余应力；
[0036]⑵测量标定
[0037]2.1设备安装
[0038]选择两个频率同为5MHz的超声水浸探头7，超声水浸探头7安装在扫查架8上，两个超声水浸探头7处于同一个水平面上，两个超声水浸探头7在的中心线8在同一个垂直平面内相交，两个超声水浸探头7的中心线8与垂直方向的夹角为28。,方向相反,将一个超声水浸探头7连接到电脉冲信号发生器10的激发接口，另一个超声水浸探头7连接双通道示波器11的输入接口，电脉冲信号发生器10的输出接口、同步接口与双通道示波器11的输入接口、同步接口对应连接，将试块9水平安放在水槽14中的试样台12上，两个超声水浸探头7置于试块9的正上方两侧；
[0039]2.2确定测量参数
[0040]打开电脉冲信号发生器10和双通道示波器11，通过调整两个超声水浸探头7的倾斜角度和与试块9之间的水平距离，使双通道示波器11采集的临界折射纵波信号最大，读取并记录双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，更换试块9，保持两个超声水浸探头7的倾斜角度以其与试块9的相对位置不变，对所有试块9读取并记录双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，以步骤1.3中测量的试块9的最大表面中心的残余应力为纵坐标，以时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制残余应力与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K，该直线在横坐标上的截距称为零应力时间tQ ；
[0041]2.3残余应力测量
[0042]从试样台12上取下试块9，将待测铝合金预拉伸板13安放在试样台12上，保持两个超声水浸探头7的倾斜角度与测量试块9时一致，并使两个超声水浸探头7与待测铝合金预拉伸板13的水平距离与测量试块9时一致，使扫查架8带动两个超声水浸探头7对待测铝合金预拉伸板13进行逐行扫描，在每行扫描过程中，探头每前进30mm读取并记录一次双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，每行之间的距离为15mm，直到整个预拉伸板扫描完毕；
[0043]2.4计算残余应力
[0044]待测铝合金预拉伸板13表面各测量点的残余应力用以下公式计算:
[0045]σ ri = K(t-to)
[0046]式中:σ Η代表每一点处的残余应力，K代表声弹性系数，\代表每一点处测得的发射波与接收波之间的时间间隔，t0代表零应力时间。
[0047]2.5标记残余应力
[0048]将测得的残余应力值大于IOOMPa的区域在试样上标出，完成残余应力的测量。
[0049]实施例2
[0050]牌号为7050-T7451的铝合金预拉伸板，其中的纵波声速为3200m/s，长度600mm，宽度400_，厚度140_，要求检测近表面4_内的残余应力。其检测步骤如下:
[0051]⑴制作参考试块
[0052]1.1切取试样
[0053]在与待测预拉伸板材13相同批次的产品上切取一块长100mm，宽90臟，厚20mm的矩形试样，矩形试样的一个最大表面为预拉伸板的轧制面，该最大表面称试样轧制面5,矩形试样的长度方与预拉伸板的轧制方向相同，利用钻孔法测量试样轧制面I的残余应力，测量点的数量为四个，其位置距试样轧制面I长边10mm、宽边15mm，按顺时针依次为测量点I 1、测量点II 2、测量点III 3、测量点IV 4，如测得的最大残余应力值不大于50MPa则保留该试样，如大于50MPa则重新取样，直到取得最大应力值小于50MPa的试样为止；
[0054]1.2试样加工
[0055]将矩形试样切割为大、小两块试样，大块试样的尺寸为:长100mm,宽60mm,厚20mm，小块试样的尺寸为:长40.01?40.10mm，宽19.95?19.99mm，厚20mm，在大块试样的中心加工出一个长40mm，宽20mm的方形通孔6，该方形通孔6的长度方向与大块试样的长度方向相同，小块试样长度方向与加工前的矩形试样的长度方向一致，小块试样与方形通孔6之间形成过盈配合；
[0056]1.3试样安装
[0057]将大块试样和小块试样在液氮中充分冷却，取出后迅速将小块试样安装在大块试样的方形通孔6内，温度升高到室温后将大块试样和小块试样的组合体的各面磨平，磨平后的组合体称为试块9，利用钻孔法测量试块9上不带试样轧制面I的最大表面中心的残余应力，将测量结果标识在试块9上；
[0058]1.4重复以上步骤1.1、1.2、1.3，制作3块试块9用于检验同一个批次的预拉伸板的残余应力；
[0059]⑵测量标定
[0060]2.1设备安装
[0061]选择两个频率同为2.25MHz的超声水浸探头7，超声水浸探头7安装在扫查架8上，两个超声水浸探头7处于同一个水平面上，两个超声水浸探头7在的中心线8在同一个垂直平面内相交，两个超声水浸探头7的中心线8与垂直方向的夹角为28。,方向相反,将一个超声水浸探头7连接到电脉冲信号发生器10的激发接口，另一个超声水浸探头7连接双通道示波器11的输入接口，电脉冲信号发生器10的输出接口、同步接口与双通道示波器11的输入接口、同步接口对应连接，将试块9水平安放在水槽14中的试样台12上，两个超声水浸探头7置于试块9的正上方两侧；
[0062]2.2确定测量参数
[0063]打开电脉冲信号发生器10和双通道示波器11，通过调整两个超声水浸探头7的倾斜角度和与试块9之间的水平距离，使双通道示波器11采集的临界折射纵波信号最大，读取并记录双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，更换试块9，保持两个超声水浸探头7的倾斜角度以其与试块9的相对位置不变，对所有试块9读取并记录双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，以步骤1.3中测量的试块9的最大表面中心的残余应力为纵坐标，以时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制残余应力与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K，该直线在横坐标上的截距称为零应力时间tQ ；
[0064]2.3残余应力测量
[0065]从试样台12上取下试块9，将待测铝合金预拉伸板13安放在试样台12上，保持两个超声水浸探头7的倾斜角度与测量试块9时一致，并使两个超声水浸探头7与待测铝合金预拉伸板13的水平距离与测量试块9时一致，使扫查架8带动两个超声水浸探头7对待测铝合金预拉伸板13进行逐行扫描，在每行扫描过程中，探头每前进20_读取并记录一次双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，每行之间的距离为20mm，直到整个预拉伸板扫描完毕；
[0066]2.4计算残余应力
[0067]待测铝合金预拉伸板13表面各测量点的残余应力用以下公式计算:
[0068]Ori = K(Vt0)
[0069]式中:σ H代表每一点处的残余应力，K代表声弹性系数，\代表每一点处测得的发射波与接收波之间的时间间隔，t0代表零应力时间。
[0070]2.5标记残余应力
[0071]将测得的残余应力值大于IOOMPa的区域在试样上标出，完成残余应力的测量。
[0072]实施例3
[0073]牌号为7050-T7451的铝合金预拉伸板，其中的纵波声速为3200m/s，长度600mm，宽度500mm,厚度80mm,要求检测近表面8mm内的残余应力。其检测步骤如下:[0074]⑴制作参考试块
[0075]1.1切取试样
[0076]在与待测预拉伸板材13相同批次的产品上切取一块长100mm，宽90mm，厚20mm的矩形试样，矩形试样的一个最大表面为预拉伸板的轧制面，该最大表面称试样轧制面5,矩形试样的长度方与预拉伸板的轧制方向相同，利用钻孔法测量试样轧制面I的残余应力，测量点的数量为四个，其位置距试样轧制面I长边10mm、宽边15mm，按顺时针依次为测量点I 1、测量点II 2、测量点III 3、测量点IV 4，如测得的最大残余应力值不大于50MPa则保留该试样，如大于50MPa则重新取样，直到取得最大应力值小于50MPa的试样为止；
[0077]1.2试样加工
[0078]将矩形试样切割为大、小两块试样，大块试样的尺寸为:长100mm，宽60mm，厚20mm，小块试样的尺寸为:长40.01?40.10mm，宽19.95?19.99mm，厚20mm，在大块试样的中心加工出一个长40mm，宽20mm的方形通孔6，该方形通孔6的长度方向与大块试样的长度方向相同，小块试样长度方向与加工前的矩形试样的长度方向一致，小块试样与方形通孔6之间形成过盈配合；
[0079]1.3试样安装
[0080]将大块试样和小块试样在液氮中充分冷却，取出后迅速将小块试样安装在大块试样的方形通孔6内，温度升高到室温后将大块试样和小块试样的组合体的各面磨平，磨平后的组合体称为试块9，利用钻孔法测量试块9上不带试样轧制面I的最大表面中心的残余应力，将测量结果标识在试块9上；
[0081]1.4重复以上步骤1.1、1.2、1.3，制作3块试块9用于检验同一个批次的预拉伸板的残余应力；
[0082]⑵测量标定
[0083]2.1设备安装
[0084]选择两个频率同为IMHz的超声水浸探头7，超声水浸探头7安装在扫查架8上，两个超声水浸探头7处于同一个水平面上，两个超声水浸探头7在的中心线8在同一个垂直平面内相交，两个超声水浸探头7的中心线8与垂直方向的夹角为28。,方向相反,将一个超声水浸探头7连接到电脉冲信号发生器10的激发接口，另一个超声水浸探头7连接双通道示波器11的输入接口，电脉冲信号发生器10的输出接口、同步接口与双通道示波器11的输入接口、同步接口对应连接，将试块9水平安放在水槽14中的试样台12上，两个超声水浸探头7置于试块9的正上方两侧；
[0085]2.2确定测量参数
[0086]打开电脉冲信号发生器10和双通道示波器11，通过调整两个超声水浸探头7的倾斜角度和与试块9之间的水平距离，使双通道示波器11采集的临界折射纵波信号最大，读取并记录双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，更换试块9，保持两个超声水浸探头7的倾斜角度以其与试块9的相对位置不变，对所有试块9读取并记录双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，以步骤1.3中测量的试块9的最大表面中心的残余应力为纵坐标，以时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制残余应力与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K，该直线在横坐标上的截距称为零应力时间tQ ；[0087]2.3残余应力测量
[0088]从试样台12上取下试块9，将待测铝合金预拉伸板13安放在试样台12上，保持两个超声水浸探头7的倾斜角度与测量试块9时一致，并使两个超声水浸探头7与待测铝合金预拉伸板13的水平距离与测量试块9时一致，使扫查架8带动两个超声水浸探头7对待测铝合金预拉伸板13进行逐行扫描，在每行扫描过程中，探头每前进30mm读取并记录一次双通道示波器11上显示的发射波与接收波之间的时间间隔，每行之间的距离为20mm，直到整个预拉伸板扫描完毕；
[0089]2.4计算残余应力
[0090]待测铝合金预拉伸板13表面各测量点的残余应力用以下公式计算:
[0091]Ori = K(Vt0)
[0092]式中:σ H代表每一点处的残余应力，K代表声弹性系数，\代表每一点处测得的发射波与接收波之间的时间间隔，t0代表零应力时间。
[0093]2.5标记残余应力
[0094]将测得的残余应力值大于150MPa的区域在试样上标出，完成残余应力的测量。
【权利要求】
1.一种用于铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测的试块，其特征在于:该试块的制作步骤为: ⑴切取试样 在与待测预拉伸板材(13)相同批次的产品上切取一块长100mm，宽90mm，厚20mm的矩形试样，矩形试样的一个最大表面为预拉伸板的轧制面，该最大表面称试样轧制面(5),矩形试样的长度方与预拉伸板的轧制方向相同，利用钻孔法测量试样轧制面⑴的残余应力，测量点的数量为四个，其位置距试样轧制面(5)长边10mm、宽边15mm，按顺时针依次为测量点I (I)、测量点II (2)、测量点III (3)、测量点IV (4)，各测量点的最大残余应力值应小于 50MPa ； ⑵试样加工 将矩形试样切割为大、小两块试样，大块试样的尺寸为:长100_，宽60_，厚20_，小块试样的尺寸为:长40.01~40.1Omm,宽19.95~19.99mm，厚20mm，在大块试样的中心加工出一个长40mm，宽20mm的方形通孔(6)，该方形通孔(6)的长度方向与大块试样的长度方向相同，小块试样长度方向与加工前的矩形试样的长度方向一致，小块试样与方形通孔(6)之间形成过盈配合； ⑶试样安装 将大块试样和小块试样在液氮中充分冷却，取出后迅速将小块试样安装在大块试样的方形通孔(6)内，温度升高到室温后将大块试样和小块试样的组合体的各面磨平，磨平后的组合体称为试块(9)，利用 钻孔法测量试块(9)上不带试样轧制面(5)的最大表面中心的残余应力，将测量结果标识在试块(9)上； ⑷重复以上步骤⑴、⑵、⑶制作3块试块(9)用于检验同一个批次的预拉伸板的残余应力。
【文档编号】G01N29/30GK103543212SQ201310534554
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】王晓, 梁菁, 史亦韦, 林立志, 王弘 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院