一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置的制作方法

本发明涉及机械检测领域，尤其涉及的是一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置。

背景技术：

表面涂层材料赋予零件耐高温、耐磨损和抗疲劳等所需性能以改善基体材料性能、提高零件的可靠性和修复已损零件。而涂层材料制造成形工艺过程中，伴随着高能量输入，往往会改变材料显微组织性能，形成残余应力场分布，容易形成微裂纹及微观缺陷。为了确保涂层结构零部件运行安全，有必要对带涂层的零部件内部残余应力进行超声检测。由于涂层结构零部件存在内应力，超声波的传播速度和方向会受到应力干扰。因此，为了检测涂层结构内部残余应力，需要找出涂层结构中应力与超声波传播速度之间的关系，即应力声弹性系数。

目前，针对一般结构零部件的残余应力的无损检测方法相对完善，国内外有很多标准和规范对残余应力的无损检测方法进行详细的说明。在这方面国内的标准主要有gb/t

33210-2016《无损检测残余应力的电磁检测方法》、gb/t32073-2015《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》和gb/t34018-2017《无损检测超声显微检测方法》等等。但是，针对涂层结构零部件的残余应力尚没有比较好的检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置，以期通过将压力转化为拉力，从而检测涂层结构试样的应力声弹性系数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置，包括固定架、活动架，所述固定架顶部设有一个水平的顶板，所述活动架包括前侧板、后侧板、盖板和底板，所述活动架的前侧板和后侧板分别位于固定架的前侧和后侧，所述活动架的前侧板和后侧板底端通过底板相连接、顶端通过盖板相连接，所述活动架的盖板和底板分别位于固定架的顶板的上方和下方，所述固定架的顶板底部设有上夹头，所述活动架的底板顶部设有下夹头，所述上夹头和下夹头呈上下对称设置，所述上夹头底部设有上夹爪，所述下夹头顶部设有下夹爪，通过上夹爪和下夹爪来夹住待检测的涂层结构试样，所述上夹头底部设有两个万向夹持架，每个所述万向夹持架底部夹持有超声探头，通过两个万向夹持架带动两个超声探头贴在待检测的涂层结构试样的前后两侧，实现超声检测。

进一步的，所述活动架的盖板与前侧板、后侧板顶端之间可拆卸连接。

进一步的，所述上夹爪和下夹爪均具有呈t形的夹持槽，通过上夹爪和下夹爪的夹持槽对待检测的涂层结构试样的上端t形部和下端t形部进行夹持。

进一步的，所述活动架的前侧板和后侧板中部分别开有通槽。

进一步的，当活动架的盖板与固定架的顶板相接触时，所述活动架的底板与固定架的底部之间留有间隙。

进一步的，所述固定架的竖直中心线与所述活动架的竖直中心线相重合。

进一步的，所述盖板底部设有缓冲垫。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明提供的一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置，通过固定架与活动架的镶嵌配合，将施加到活动架上的压力转变为施加到涂层结构试样上的拉力，进而对拉伸前后超声传播时间进行测量，从而得出应力声弹性系数，结构设计巧妙，检测精度高。

2、本发明提供的一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置，活动架的前侧板和后侧板中部分别开有通槽，方便操作人员移动超声探头，进行检测。

3、本发明提供的一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置，当活动架的盖板与固定架的顶板相接触时，所述活动架的底板与固定架的底部之间留有间隙。在盖板底部附着有缓冲垫，这样充分利用结构之间的高度差，有效避免活动架的盖板和固定架的顶板之间在涂层结构试样断裂后发生刚性冲击，避免了固定架和活动架之间的碰撞，保护了装置的主要部件。

4、本发明提供的一种检测涂层结构应力声弹性系数的装置，上夹头底部设有两个万向夹持架，每个所述万向夹持架底部夹持有超声探头，通过两个万向夹持架带动两个超声探头贴在待检测的涂层结构试样的前后两侧，实现超声检测。利用万向夹持架夹持超声探头，方便调整超声探头的方位，使得两个超声探头更好的与涂层结构试样的前后两侧进行紧密贴合，提高了超声检测的精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是上夹头和万向夹持架部分的结构示意图。

图3是固定架的结构示意图。

图4是活动架的结构示意图。

图5是盖板的结构示意图。

图6是上夹头的结构示意图。

图7是涂层结构试样的主视图图。

图8是涂层结构试样的侧剖视图。

图中标号：1活动架，101前侧板，102后侧板，103底板，104通槽，2固定架，3上夹头，301上夹爪，4下夹头，5盖板，6涂层结构试样，61基体，62涂层，7万向夹持架，8超声探头。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1至图8，本实施例公开了一种检测涂层62结构应力声弹性系数的装置，包括固定架2、活动架1，固定架2顶部设有一个水平的顶板，活动架1包括前侧板101、后侧板102、盖板5和底板103，活动架1的前侧板101和后侧板102分别位于固定架2的前侧和后侧，活动架1的前侧板101和后侧板102底端通过底板103相连接、顶端通过盖板5相连接，活动架1的盖板5和底板103分别位于固定架2的顶板的上方和下方，固定架2的顶板底部设有上夹头3，活动架1的底板103顶部设有下夹头4，上夹头3和下夹头4呈上下对称设置，上夹头3底部设有上夹爪301，下夹头4顶部设有下夹爪，通过上夹爪301和下夹爪来夹住待检测的涂层结构试样6，上夹头3底部设有两个万向夹持架7，每个万向夹持架7底部夹持有超声探头8，通过两个万向夹持架7带动两个超声探头8贴在待检测的涂层结构试样6的前后两侧，一个超声探头8发射超声波，另一个超声探头8接受超声波，两个超声探头8连接超声信号接收分析装置，实现超声信号监测及数据收集。

活动架1的盖板5与前侧板101、后侧板102顶端之间通过螺钉可拆卸连接。

上夹爪301和下夹爪均具有呈t形的夹持槽，通过上夹爪301和下夹爪的夹持槽对待检测的涂层结构试样6的上端t形部和下端t形部进行夹持。

活动架1的前侧板101和后侧板102中部分别开有通槽104。方便操作人员移动超声探头8，进行检测。

当活动架1的盖板5与固定架2的顶板相接触时，活动架1的底板103与固定架2的底部之间留有间隙。在盖板5下面附着橡胶缓冲垫，这样充分利用结构之间的高度差，有效避免了活动架1的盖板5和固定架2的顶板之间在涂层结构试样6断裂后发生刚性冲击，避免了固定架2和活动架1之间的碰撞，保护了装置的主要部件。

固定架2的竖直中心线与活动架1的竖直中心线相重合。保证了固定架2和活动架1的均匀受力，也保证上夹头3和下夹头4的对称设置，进而保证了检测结构的精度。

万向夹持架7是现有万向表座去除磁性底座，并把与磁性底座相连接的圆柱外表面加工成外螺纹后的部分。

本实施例所采用的涂层结构试样6为工字形的平板结构，其中间窄的部位称为连接杆，优选的，涂层结构试样6的连接杆的原始宽度为15～20mm，原始长度为110～150mm，整体厚度为4～6mm，涂层62厚度为2～3mm。

应力声弹性系数的理论推导：

用上述装置拉伸涂层结构试样6，该涂层结构试样6由基体61和涂覆在基体61一侧的涂层62构成。基体61和涂层62中的应力等于涂层结构试样6的应力σ。其中，σ＝f/a，f表示对涂层结构试样6施加的力，a表示涂层结构试样6的连接杆的原始横截面积。

上述装置中，一个超声探头8发射超声纵波传播至涂层结构试样6，被贴在涂层结构试样6另一侧的超声探头8接收，由于涂层结构试样6中存在应力场会对超声纵波的传播过程造成影响：使超声纵波的传播速度在一定范围内增加或减小。根据声弹性检测原理分析，在基体61和涂层62中超声纵波的传播速度与应力场之间的关系可满足下述公式：

其中，上述dσ表示应力的变化量；dv表示超声纵波传播速度的变化量；k为材料的声弹性系数；v0表示超声纵波在零应力场中的传播速度。

由于超声纵波在涂层结构试样6的传播速度往往是无法直接获得的，因此可以通过超声纵波传播路程所用时间的变化量来反映声速的变化量。由此可以得到超声纵波在材料中所用的时间与应力场之间的关系：

其中，s表示超声纵波在涂层结构试样6中传播的声程；dt表示超声纵波传播时间的改变量。

对于基体61厚度为s1和涂层62厚度为s2的材料，代入上述公式二，简化后得：

其中，δσ表示相对于初始零应力的应力变化量；t0表示初始零应力场下超声纵波在涂层结构试样6中传播的时间；t表示存在应力场下超声纵波在涂层结构试样6中传播的时间；δt表示超声纵波在涂层结构试样6存在应力场下传播的时间t与在初始零应力场传播的时间t0之差；k1为基体61的声弹性系数；k2为涂层62的声弹性系数；v01表示超声纵波在基体61零应力场中的传播速度；v02表示超声纵波在涂层62零应力场中的传播速度。

令有

δσ＝kδt(公式三)

其中k表示应力声弹性系数。

理论推导证明了应力的改变量和传播声时的改变量之间存在一个线性关系，而应力声弹性系数k需要进行实验数据拟合得出。

检测涂层62结构应力声弹性系k：

对初始零应力的涂层结构试样6施加拉力，研究不同应力状态下，声时的改变情况，构建应力场分布与超声传播速度的关系模型，根据公式δσ＝kδt，得出涂层结构试样6的应力声弹性系数k。

其中，由于涂层结构试样6的初始应力为零，则δσ等于σ，σ可以由对涂层结构试样6施加的力f除以试样原始横截面积a得出，即δσ＝σ＝f/a；δt表示超声纵波在涂层结构试样6存在应力场后传播的时间t与在初始零应力场传播的时间t0之差，即δt＝t-t0。

本实施例提供的装置的工作过程如下：

将检测涂层62结构应力声弹性系数的装置放置在压力机的平台上，由于活动架1和固定架2相对的扣在一起，形成了用于容纳涂层结构试样6的容纳腔。上夹头3和下夹头4共同夹持涂层结构试样6，完成涂层结构试样6的安装固定，最后将盖板5与活动架1装配好。通过盖板5承受来自压力机的压力，盖板5将承受的向下的压力转变为对试样向下的拉力，提供拉力环境，最后通过两个万向夹持架7带动两个超声探头8紧贴在待检测的涂层结构试样6的前后两侧，一个超声探头8发射超声纵波，另一个超声探头8接受超声纵波，两个超声探头8连接超声信号接收分析装置，得出涂层结构试样6拉伸前超声纵波在涂层结构试样6的传播时间t0以及涂层结构试样6拉伸后超声纵波在涂层结构试样6的传播时间t，实现超声信号监测及数据收集。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。