铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无损检测领域，涉及一种铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组及其使用方法。
【背景技术】
[0002]在轧制、固溶淬火等工艺过程中，预拉伸铝合金板材常常会的产生残余应力，残余应力的存在直接导致后续使用过程中由于残余应力的释放造成工件的变形，预拉伸铝合金板材中的残余应力可能由轧制工艺引起的，但更主要的原因是铝合金的固溶淬火工艺。
[0003]平轧铝合金产品制造商往往使用大吨位的预拉伸机对固溶淬火后的铝合金板材进行处理从而减少板材中的残余应力。现代航空制造业对预拉伸铝合金板材提出低残余应力的要求，从而满足飞机大型整体化部件的要求。目前，钻孔法、多孔方差法、裂纹柔度法等理化方法和射线衍射法等无损检测方法较成熟地应用于材料的残余应力测量。但使用超声波方法测量材料的残余应力仍未形成国际公认的检测标准，一定程度上是由于还没有一种被行业普遍接受的参考试块。在试块使用一段时间后判断试块的有效性也是一个难题。
[0004]201310659777.4专利中使用超声波仪对拉伸试验机上的被施加载荷的试样进行测量。该方法通过接触法用超声检测传感器对拉伸试样进行测量，耦合效果将对校准结果产生较大影响；校准过程中需使用拉伸机，导致使用环境受到限制；一次校准完成后，拉伸力卸载使试样产生回弹，再次校准时需重新使用拉伸机对试样加载，操作程序较复杂。
[0005]201310534554.5专利中采用冷却安装过盈试样的方法给试块导入残余应力。这种方法需对试样进行复杂的机加工；而且组合试块进行安装前需使用液氮冷却至可装配的尺寸而且装配过程需迅速准确，对操作人员的操作能力有较高的要求；组合试块安装完成后，操作员需对组合试块平面进行打磨至两个面平行而且光滑的技术难度大而且可能导入新的残余应力。
[0006]201410073705.6专利中介绍的方法主要适用于钢材，该发明的试块制作过程中需在确保材质不发生变化的前提下，对外圆环进行加热，然后利用热胀冷缩的效应使外圆环压紧内圆盘；但可热处理铝合金对温度较敏感，在120°C左右就产生人工时效处理的效果，这使该发明难以应用于铝合金材料的检测。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种铝合金预拉伸残余应力超声检测试块组及其使用方法，其目的是提供一种在不受异常温度和外力影响条件下，能较长时间的保持残余应力的试块组。且此种试块无需对样品进行复杂的机加工和装配，节约了成本，提高了试块的制备成功率；以本发明的试块进行待测铝合金预拉伸板残余应力的无损检测，方便快捷，提高了效率。
[0008]铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组，取自同批次铝合金预拉伸板材中，且长度方向与板材轧制方向相同，所述试块与被检测板材的轧制面上表面方向相同的面上设有标记，所述试块的宽度为50~2000mm，长度为200~8000mm ;所述试块组至少有2组试块，分别为:试块组合、平行试块B ;每组试块的数量不小于2，每组均包含具有组间对应的不同残余应力的试块，所述不同残余应力呈梯度分布；所述平行试块B为残余应力值的标记试块组，且其中至少有一块试块的残余应力低于临界残余应力值O MPa，至少有一块的残余应力高于临界残余应力值O MPa ;所述试块组合为残余应力标尺的标定试块组。较优的，每组试块数量相同。
[0009]此技术方案中的试块选用相同的材质和规格制备的试块组，原材料相同，经过的制作工艺相同，因此各组的残余应力水平相当。利用平行试块B有利于找到残余应力的临界点，有效地确定试块中允许存在的残余应力水平，提高了试块的制备率。同时，将平行试块B组内各试块的残余应力数值对应地标记在对应工艺制备的各组的试块上，从而实现对试块组合的残余应力值进行标定。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述试块组还包括平行试块A，所述平行试块A为校准试块。
[0011]试块组合投入使用一段时间后，会出现残余应力变化的情况，将平行试块A作为校准样，定期采用平行试块A进行校准，达到了评价试块有效性的目的。当使用相同的水浸式超声波检测工艺对进行平行试块A和试块组合中的试块进行残余应力检测时，残余应力数值相差5~20%，则停止整套试块的使用。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述试块采用以下步骤制备:
步骤1:从待检测的同批次铝合金预拉伸板材中截取矩形试块，所述试块的长度方向与板材轧制方向相同；可对试块的每个面都进行标记，使得在与被检测板材的轧制面上表面方向相同的面上进行测试，减小误差；
步骤2:对试块进行固溶淬火；
步骤3:对各组试块分别进行处理得到不同拉伸率的试块，消减残余应力，得到每组都包含有组间对应的同拉伸率的试块，所述不同拉伸率呈梯度分布；
步骤4:对试块进行电导率检测，要求所有试块的电导率极差值小于1.5%IACS ;
步骤5:对试块进行峰值实效处理；优选为在室温下进行I天~15天自然时效，直至合金状态稳定；
步骤6:冷却后进行外观尺寸检验，得到具有相同残余应力梯度的检测试块组；完成时效待整套试块冷却至室温后进行外观尺寸检验，尺寸公差应符合ASTM E 127的要求。
[0013]作为本发明的进一步改进，步骤3所述不同的拉伸率的试块是采用拉伸方法制得的，采用不同工艺的退火方法也可以得到上述不同残余应力的试块。
[0014]通常，拉伸率的试块是采用拉伸方法制备的，此方法简单，可获得残余应力消减更均匀的试块，而且在预拉伸处理后试块可获得更好的表面平直度，有利于提供更高的检测精度。
[0015]退火也可以消减固溶淬火后的铝合金板材的残余应力。因此，采用不同的退火工艺可以替代不同的预拉伸率，从而获得具有梯度的残余应力的试块组合；采用退火方法可通过使用普通加热炉实现制作具有梯度的残余应力的试块组合的目的，避免使用价格昂贵的高精度拉伸机，从而降低成本。
[0016]通常，平行试块B的残余应力值是通过钻孔法获得的，此方法简单且可以获得被检测材料近表面的残余应力值。但也可以使用X射线方法直接对试块组合进行残余应力检测，免除制造平行试块B并进行钻孔法检测残余应力的麻烦。这种方法可以使用无损检测方法直接获得试块表面的残余应力值，避免试块组合与平行试块B在残余应力值上的偏差。但是，使用X射线方法检测获得的结果是材料表面的残余应力值，而超声波方法获得的是材料近表面的残余应力值。X射线方法获得的残余应力值需要进行较复杂的换算才能获得表征超声波检测方法获得的结果。
[0017]作为本发明的进一步改进，所述电导率检测是在试块上下表面每间隔宽度20mm和长度250mm的地方进行的。
[0018]作为本发明的进一步改进，所述每组试块的数量为5块。采用此数量的试块组，可以在使用每组尽量少的试块的同时，得到很好的残余应力标尺标定的功能，也便于后续试块的使用和检测。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述呈梯度分布的拉伸率为:0.5%、1%、1.5%、2%、
2.5%和3%ο拉伸率为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%对应的残余应力值分别约为-80MPa,-40MPa, -18MPa, OMPa, 1MPa和25Mpa，采用此技术方案，便于残余应力的标记以及试块的制备。
[0020]较优的，所述呈梯度分布的拉伸率为:1%、1.5%、2%、2.5%和3%。
[0021]作为本发明的进一步改进，将拉伸夹区及其附近50~80mm处标记为“非测试区”。采用此技术方案是为了避免拉伸夹持区域附近残余应力不均匀对检测结果造成影响，拉伸夹持痕迹及其附近50~80_的区域用标记笔标记为“无效区域”。检测过程中仅使用整套试块的“有效区域”进行校准。整套试块加工完成后进行表面氧化处理以提高其抗腐蚀性。
[0022]作为本发明的进一步改进，试块组合投入使用后，定期采用平行试块A进行校准；当使用相同的水浸式超声波检测工艺对进行平行试块A和试块组合中的试块进行残余应力检测时，残余应力数值相差5~20%，则停止整套试块的使用。
[0023]本发明还提供了一种铝合金预拉伸残余应