Non-destructive testing—Test method for measuring residual stress using ultrasonic critical refracted longitudinal wave
前 言
本標準按照 GB/T 1.1—2009 給出的規(guī)則起草。
本標準由全國無損檢測標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 56）提出并歸口。
本標準起草單位：北京理工大學(xué)。
本標準主要起草人：徐春廣、肖定國、宋文濤、李煥新、潘勤學(xué)、劉帥。
本標準規(guī)定了基于超聲臨界折射縱波（爬波）測量殘余應(yīng)力的無損檢測方法。
本標準適用于檢測透聲性良好的金屬和非金屬固體材料和/或構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力。
2 規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 228.1 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法
GB/T 11345—2013 焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定
GB/T 12604.1 無損檢測 術(shù)語 超聲檢測
GB/T 16923 鋼件的正火與退火
GB/T 18852 無損檢測 超聲檢驗 測量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法
GB/T 25712 振動時效工藝參數(shù)選擇及效果評定方法
3 術(shù)語和定義 GB/T 12604.1界定的術(shù)語和定義適用于本文件。 4 人員要求按本標準實施檢測的人員應(yīng)通過殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波無損檢測技術(shù)的專門培訓(xùn)。
5 方法概要當發(fā)射換能器激發(fā)超聲縱波以第一臨界角斜入射到被檢件表面時，依據(jù)Snell 定律，可在被檢件材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲臨界折射縱波，并可被接收換能器接收到，如圖1所示。
依據(jù)聲彈性原理，材料中的殘余應(yīng)力會影響超聲縱波傳播速度，當殘余應(yīng)力方向與縱波方向一致時，拉伸應(yīng)力使超聲縱波傳播速度變慢或傳播時間t 延長，壓縮應(yīng)力使超聲縱波傳播速度加快或傳播時間t 縮短。
因此，在激勵和接收兩換能器之間的距離（探頭間距）保持不變的條件下，若測得零應(yīng)力σ0對應(yīng)的超聲傳播時間ｔ０ 和被檢件應(yīng)力σ 對應(yīng)的超聲傳播時間t，根據(jù)時間差可求出被檢件中的殘余應(yīng)力絕對值σ，即：
σ－σ0 ＝ K（t－ｔ０） .................... (1)
或Δσ ＝ KΔt ......................... (2)式中：Δσ—殘余應(yīng)力的變化量（應(yīng)力差）Δσ ＝ σ－σ0；Δt——傳播時間的變化量（聲時差）Δt ＝ t－ｔ０；
K——應(yīng)力系數(shù)，與被檢件的材料和探頭間距有關(guān)，可通過拉伸試驗標定獲得（見7.3）
圖1 超聲臨界折射縱波收發(fā)原理及殘余應(yīng)力檢測區(qū)域
按本標準所檢測的殘余應(yīng)力，是被檢件表層下材料內(nèi)部三維空間區(qū)域內(nèi)沿聲波傳播方向的殘余應(yīng)力平均值。
6 檢測系統(tǒng) 6.1 儀器殘余應(yīng)力超聲檢測儀應(yīng)至少具有如下功能：
a) 頻率設(shè)置；
b) 濾波；
c) 超聲激勵電壓控制；
d) 超聲接收增益控制；
e) 超聲臨界折射縱波傳播時間和殘余應(yīng)力值的計算。 應(yīng)定期對檢測儀進行綜合性能校準，以確認其檢測數(shù)值的準確性。校準間隔最長不超過一年。
6.2.1 應(yīng)能實現(xiàn)超聲臨界折射縱波的發(fā)射和接收。
6.2.2 用于檢測的探頭（至少包含兩個換能器），按 GB/T 18852 規(guī)定的方法測試，其性能參數(shù)應(yīng)相同。
6.2.3 檢測所用的探頭應(yīng)是應(yīng)力系數(shù)標定和零應(yīng)力校準時所用探頭。
6.2.4 探頭接觸面與被檢件表面應(yīng)良好耦合，如果被檢件表面為曲面，耦合狀態(tài)應(yīng)符合 GB/T 11345—2013 的 6.3.4 規(guī)定。
6.3 耦合劑應(yīng)使用適當?shù)鸟詈蟿�，以保證在工作溫度范圍內(nèi)探頭與被檢件表面具有穩(wěn)定可靠的超聲耦合。應(yīng)力系數(shù)獲得、零應(yīng)力校準和檢測過程中應(yīng)使用相同的耦合劑，并保持相同的耦合狀態(tài)。
6.4 零應(yīng)力試塊
6.4.1 材料
應(yīng)采用與被檢件材料金相組織狀態(tài)和表面粗糙度相同的材料。
6.4.2 形狀和尺寸
試塊的形狀見圖2，尺寸范圍見表1，允許誤差±0.1mm。標定區(qū)域的表面粗糙度Ra 應(yīng)小于10μm。
圖2 試塊
表1 試塊的尺寸范圍
6.4.3 零應(yīng)力處理
可采用如下之一方法來獲得零應(yīng)力：
a) 按 GB/T 16923 所述方法，對試塊進行去應(yīng)力退火處理，退火后試塊的金相組織狀態(tài)應(yīng)與被檢 件的材料組織狀態(tài)相同；
b) 按 GB/T 25712 所述方法，對試塊進行振動時效去應(yīng)力處理，近似得到應(yīng)力為零的試塊。
7 檢測 7.1 檢測前準備7.1.1 檢測區(qū)域
檢測區(qū)域的大小與探頭尺寸和檢測頻率有關(guān)（見圖1），檢測區(qū)域長度 L 為臨界折射縱波傳播距 離（即探頭間距，通常為5mm～100mm），檢測區(qū)域?qū)挾?W 為換能器晶片寬度或直徑（通常為5mm～ 30mm），檢測區(qū)域深度 D 由頻率決定：
式中： D——檢測區(qū)域深度（mm）；
f——探頭中心頻率（MHz）；
α——檢測深度修正系數(shù)（mm/ns），常用金屬材料參考值：鋼5.98，鋁6.40，銅4.81。 檢測區(qū)域大小應(yīng)大于等于探頭尺寸覆蓋的范圍，或由合同約定。7.1.2 探頭布置方案
根據(jù)7.1.1確定的檢測區(qū)域，設(shè)計探頭布置方案，明確探頭檢測位置。
7.1.3 表面準備
檢測位置的表面粗糙度Ra 應(yīng)小于等于10μm。
7.2 檢測儀器的調(diào)整和設(shè)置
按照使用說明書，將殘余應(yīng)力超聲檢測儀器調(diào)整到正常工作狀態(tài)。 根據(jù)所確定的檢測區(qū)域（7.1.1），設(shè)置檢測頻率、濾波帶寬、超聲激勵電壓、超聲接收增益、探頭間距和位置等檢測參數(shù)。
7.3 應(yīng)力系數(shù)標定按7.2調(diào)整和設(shè)置檢測儀器，將探頭穩(wěn)固耦合在零應(yīng)力試塊（6.4）的標定區(qū)域內(nèi)，按GB/T 228.1 規(guī)定的方法，在常溫環(huán)境（22±2℃）下，對零應(yīng)力試塊（6.4）進行拉伸試驗。
在材料彈性范圍內(nèi)，記錄檢測儀器的聲時差Δt 和拉伸試驗設(shè)備輸出的拉應(yīng)力變化Δσ。測量點不少 于10點，重復(fù)拉伸次數(shù)不少于5次，取平均值，繪制出拉伸應(yīng)力值與聲時差的坐標圖，如圖3所示。對數(shù) 據(jù)進行線性擬合，得到的直線斜率的倒數(shù)即為應(yīng)力系數(shù)K。
注：圖中示例數(shù)據(jù)的試驗條件為：檢測頻率5MHz，探頭間距30mm，被檢件材料45號冷軋鋼，環(huán)境溫度23℃。
圖3 拉伸應(yīng)力值與聲時差的線性關(guān)系按7.2調(diào)整和設(shè)置檢測儀器，將探頭穩(wěn)定耦合在零應(yīng)力試塊（6.4）的標定區(qū)域內(nèi)，記錄儀器測出的 零應(yīng)力對應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播時間 t0。
7.5.1 按 7.2 調(diào)整和設(shè)置檢測儀器。根據(jù)探頭布置方案（7.1.2），將探頭穩(wěn)定耦合在檢測位置。
7.5.2 記錄儀器測出的被檢件內(nèi)的超聲臨界折射縱波傳播時間 t。
7.5.3 根據(jù)式（1）或式（2），計算出被檢件內(nèi)的殘余應(yīng)力值 Δσ 或 σ（設(shè) σ0＝0）。所得殘余應(yīng)力絕 對值 σ 為負值表示壓縮應(yīng)力，正值表示拉伸應(yīng)力。
注：此計算過程可由人工完成，也可由計算機軟件自動完成。
8 溫度補償與修正檢測被檢件時的環(huán)境溫度與應(yīng)力系數(shù)標定時的環(huán)境溫度差異應(yīng)在±15℃范圍內(nèi)，并應(yīng)根據(jù)溫度差對 檢測到的殘余應(yīng)力數(shù)值進行溫度補償修正，如果超出該溫度范圍，應(yīng)該選用特殊探頭或耦合劑，重新校準應(yīng)力系數(shù)和零應(yīng)力聲時。
溫度改變會影響材料內(nèi)超聲縱波傳播速度，從而影響到殘余應(yīng)力的檢測準確性。為提高檢測準確性， 應(yīng)對檢測到的殘余應(yīng)力值進行溫度補償和修正。補償之前可從材料手冊或試驗方法（如GB/T 23900）獲得在工作溫度范圍內(nèi)被檢件材料的聲速溫度關(guān)系。
9 檢測報告檢測報告的內(nèi)容應(yīng)至少包括下列信息：
a) 檢測單位、人員、日期等；
b) 被檢件的材料、厚度、表面粗糙度和曲率等；
c) 探頭中心頻率和間距、及檢測儀器的濾波帶寬、增益和采集頻率等；
d) 檢測時的環(huán)境溫度；
e) 檢測區(qū)域；
f) 殘余應(yīng)力數(shù)值。
GB/T1031 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值
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GB/T 16491 電子式萬能試驗機
GB/T 23900 無損檢測 材料超聲速度測量方法
JB/T 10175 熱處理質(zhì)量控制要求