(高清版)GB∕T 38952-2020 無(wú)損檢測(cè) 殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)方法

無(wú)損檢測(cè)殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)I 12規(guī)范性引用文件 1 1 1 1 37縱波和橫波聲彈性系數(shù)標(biāo)定 4 59檢測(cè)儀器校準(zhǔn) 610檢測(cè)報(bào)告的編寫(xiě) 6附錄A(規(guī)范性附錄)拉伸試樣的制備方法 7附錄B(規(guī)范性附錄)部分常用殘余應(yīng)力消減方法的基本原理 9附錄C(規(guī)范性附錄)檢測(cè)儀校準(zhǔn)方法 參考文獻(xiàn) ⅢGB/T38952—2020本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC56)提出并歸口。天長(zhǎng)征裝備制造有限公司、內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司、西安先進(jìn)應(yīng)力檢測(cè)控制技術(shù)有限公司。1GB/T38952—2020無(wú)損檢測(cè)殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)方法1范圍彈性系數(shù)標(biāo)定、檢測(cè)流程、檢測(cè)儀器校準(zhǔn)和檢測(cè)報(bào)告的編寫(xiě)要求。本標(biāo)準(zhǔn)適用于采用超聲體波進(jìn)行材料殘余應(yīng)力的檢測(cè)。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)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/T228.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法GB/T7232金屬熱處理工藝術(shù)語(yǔ)GB/T7704無(wú)損檢測(cè)X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定方法GB/T9445無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證GB/T12604.1無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)超聲檢測(cè)GB/T16923鋼件的正火與退火GB/T18852無(wú)損檢測(cè)超聲檢驗(yàn)測(cè)量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法GB/T25712振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法GB/T32073無(wú)損檢測(cè)殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法GB/T7232、GB/T12604.1界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1縱波的偏振方向與傳播方向平行的縱波和偏振方向與傳播方向垂直的橫波。體波探頭bulkwaveprobe能夠產(chǎn)生縱波和橫波的探頭。4人員要求采用本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)的人員，應(yīng)按照GB/T9445或合同各方同意的體系進(jìn)行資格鑒定與認(rèn)證，并由雇主或代理對(duì)其進(jìn)行崗位培訓(xùn)和操作授權(quán)。5檢測(cè)要點(diǎn)5.1檢測(cè)原理依據(jù)聲彈性在材料中與超聲波傳播方向一致的應(yīng)力影響其傳播速度，壓縮應(yīng)力加快超聲波傳播速2GB/T38952—2020度、拉伸應(yīng)力減慢超聲波傳播速度，用一個(gè)已知應(yīng)力、且與被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)與形狀相同的構(gòu)件為應(yīng)力基準(zhǔn)，通過(guò)檢測(cè)構(gòu)件材料內(nèi)部超聲波傳播速度的變化可以得知構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力的拉壓狀態(tài)和具體數(shù)值，應(yīng)力拉由于許多現(xiàn)場(chǎng)工況中的板厚度尺寸和桿棒軸類(lèi)構(gòu)件的軸向尺寸、以及超聲縱波或橫波傳播速度變化難以準(zhǔn)確獲得。因此，將殘余應(yīng)力縱波和橫波檢測(cè)方法結(jié)合起來(lái)，可以在未獲知構(gòu)件板厚或軸向尺寸的前提下，就可以獲得超聲縱波和橫波傳播方向上的應(yīng)力狀態(tài)和數(shù)值。已知構(gòu)件材料的零應(yīng)力狀態(tài)，則由聲彈性原理可知，被檢測(cè)材料中縱波和橫波傳播方向上的應(yīng)力σ如式(1)1]所示：…式中：σ——縱波和橫波傳播方向上的應(yīng)力，單位為兆帕(MPa);T—-——零應(yīng)力縱波的聲時(shí)，單位為納秒(ns);Tso——零應(yīng)力橫波的聲時(shí)，單位為納秒(ns);TL——有應(yīng)力縱波的聲時(shí)，單位為納秒(ns);Ts——有應(yīng)力橫波的聲時(shí)，單位為納秒(ns);EL——縱波聲彈性系數(shù)，單位為每兆帕(MPa-1);Es——橫波聲彈性系數(shù)，單位為每兆帕(MPa-1)。5.2檢測(cè)區(qū)域本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法所測(cè)到的應(yīng)力是體波探頭下面材料內(nèi)部沿聲波傳播方向上應(yīng)力的平均值，檢測(cè)區(qū)域橫向范圍的大小取決于檢測(cè)探頭聲激勵(lì)和接收元件的橫向截面尺寸，體波探頭置于檢測(cè)表面時(shí)，要求與被檢測(cè)構(gòu)件表面有效耦合，確保能獨(dú)立地激發(fā)和接收超聲縱波和超聲橫波，如圖1所示。L——檢測(cè)區(qū)域的縱向范圍。圖1殘余應(yīng)力超聲體波(縱波和橫波)檢測(cè)原理示意圖檢測(cè)區(qū)域縱向范圍的大小(L),對(duì)于桿棒軸類(lèi)構(gòu)件對(duì)應(yīng)其長(zhǎng)度，對(duì)于板類(lèi)構(gòu)件對(duì)應(yīng)其厚度(曲面構(gòu)件對(duì)應(yīng)其法向厚度)。檢測(cè)區(qū)域縱向范圍(L)的最大值取決于聲衰減情況，即體波探頭可以有效地接收到底面反射縱波和橫波。3GB/T38952—20205.3被檢測(cè)構(gòu)件被檢測(cè)構(gòu)件材料應(yīng)是透聲良好的金屬或非金屬材料，構(gòu)件表面粗糙度和形廓應(yīng)不影響超聲縱波和橫波的有效耦合。6檢測(cè)系統(tǒng)6.1基本要求用于本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，至少應(yīng)包括有超聲體波探頭或超聲縱波和/或橫波探6.2超聲體波探頭6.2.1超聲體波探頭(或超聲縱波和/或橫波探頭)應(yīng)同時(shí)發(fā)射和接收超聲縱波和橫波；根據(jù)被檢測(cè)構(gòu)等參數(shù)，以確保在聲波方向上獲得超聲縱波和橫波。探頭的聲束特性按照GB/T18852規(guī)定的方法測(cè)量。6.2.2檢測(cè)構(gòu)件用和標(biāo)定用的超聲體波探頭(或超聲縱波和/或橫波探頭)應(yīng)保持一致，主要包括中心6.2.3超聲體波探頭(或超聲縱波和/或橫波探頭)接觸面應(yīng)與被檢測(cè)構(gòu)件表面良好貼合，必要時(shí)采用曲面楔塊和固定輔助工裝，探頭的發(fā)射面面積通常應(yīng)小于被檢測(cè)構(gòu)件截面積。6.2.4凡是能有效產(chǎn)生和傳播超聲縱波和橫波的探頭都可以構(gòu)成體波探頭(或超聲縱波和/或橫波探6.2.5超聲體波探頭(或獨(dú)立的超聲縱波和/或橫波探頭)中的縱波探頭和橫波探頭可為一體式的，也可是分體獨(dú)立式的。6.3殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)儀殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)儀的作用是控制體波換能器激勵(lì)和接收縱波和橫波、計(jì)算超聲體波傳播時(shí)間和聲波方向應(yīng)力數(shù)值和狀態(tài)；檢測(cè)儀器可由脈沖收發(fā)儀、示波器等通用儀器構(gòu)成，也可采用具有脈沖收發(fā)功能、波形數(shù)字化功能和計(jì)算機(jī)等軟硬件部分構(gòu)成。6.4溫度傳感器通常溫度傳感器粘貼于體波檢測(cè)探頭附近，應(yīng)在有效溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確獲得被檢測(cè)構(gòu)件的真實(shí)溫度，且測(cè)量精度滿(mǎn)足A級(jí)以上(或測(cè)量精度滿(mǎn)足0.01℃)(以鉑電阻溫度傳感器為例)。壓電式超聲體波探頭應(yīng)使用專(zhuān)用耦合液(如橫波耦合劑),以保證在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定可靠的聲耦合。應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，應(yīng)確保縱波和橫波聲彈性系數(shù)標(biāo)定過(guò)程、基準(zhǔn)零應(yīng)力標(biāo)定過(guò)程與構(gòu)件實(shí)際檢測(cè)過(guò)程的耦合狀態(tài)基本一致。6.6固定輔助工裝壓電式超聲體波探頭應(yīng)使用固定輔助工裝，應(yīng)確保縱波和橫波聲彈性系數(shù)標(biāo)定過(guò)程、基準(zhǔn)零應(yīng)力標(biāo)定過(guò)程與構(gòu)件實(shí)際檢測(cè)過(guò)程的耦合狀態(tài)基本一致。4GB/T38952—20207縱波和橫波聲彈性系數(shù)標(biāo)定7.1基本要求分別由聲彈性理論計(jì)算和拉伸試驗(yàn)方法獲得縱波和橫波聲彈性系數(shù)eL、Es;基準(zhǔn)零應(yīng)力體波聲時(shí)7.2聲彈性系數(shù)的理論計(jì)算方法縱波聲彈性系數(shù)∈L按式(2)計(jì)算：……………橫波聲彈性系數(shù)∈s按式(3)計(jì)算：式中：二階拉梅彈性常數(shù)；…l,m,n——三階默納漢彈性常數(shù)。7.3聲彈性系數(shù)的拉伸試驗(yàn)方法7.3.1拉伸試樣拉伸試樣形廓尺寸應(yīng)符合附錄A中A.2.2的要求，材料晶格取向應(yīng)與被測(cè)構(gòu)件材料一致，應(yīng)按附錄A規(guī)定的方法制備。7.3.2拉伸試驗(yàn)應(yīng)按照GB/T228.1規(guī)定的方法，在常溫環(huán)境(10℃~35℃)下，在材料彈性范圍內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)前，首先應(yīng)檢測(cè)拉伸試樣零應(yīng)力狀態(tài)下的縱波的聲時(shí)TLo和橫波聲時(shí)Tso。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)儀測(cè)量所得縱波的聲時(shí)變化△t?、橫波的聲時(shí)變化△ts與拉伸試驗(yàn)機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)拉應(yīng)力變化△σ的關(guān)系分別如圖2a)和圖2b)所示，測(cè)量不少于9個(gè)點(diǎn)，重復(fù)拉伸次數(shù)不少于5次，取平均值，對(duì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到的直線(xiàn)斜率即為縱波聲應(yīng)力系數(shù)K?和橫波聲應(yīng)力系數(shù)Ks。應(yīng)力值/Mla300應(yīng)力值/Mla3002502000聲時(shí)/ns3502500聲時(shí)/ns圖2拉伸應(yīng)力值與聲時(shí)(△t)的線(xiàn)性關(guān)系5GB/T38952—20207.3.3體波聲彈性系數(shù)8L、8s縱波聲彈性系數(shù)∈u和橫波聲彈性系數(shù)es分別由式(4)和式(5)計(jì)算得到：式中：KL——縱波應(yīng)力系數(shù)，單位為兆帕每納秒(MPa/ns);Ks——橫波應(yīng)力系數(shù)，單位為兆帕每納秒(MPa/ns); (5)基準(zhǔn)零應(yīng)力試樣可以按GB/T16923要求利用反復(fù)退火方法制備，或按GB/T25712要求利用振動(dòng)時(shí)效法、高能聲束控制法等方法(見(jiàn)附錄B)消減殘余應(yīng)力，可以利用GB/T7704或GB/T32073所述方法對(duì)殘余應(yīng)力的消減過(guò)程進(jìn)行跟蹤檢測(cè)和判定。通常要求基準(zhǔn)零應(yīng)力試樣與被檢測(cè)試樣的材質(zhì)、尺寸形廓和檢測(cè)表面粗糙度相同或相近。對(duì)上述基準(zhǔn)零應(yīng)力試樣進(jìn)行超聲縱波和橫波檢測(cè)得到的聲時(shí)即為零應(yīng)力體波聲時(shí)TLo和Tso。8檢測(cè)流程8.1基本要求殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)的基本流程包括：檢測(cè)前準(zhǔn)備→檢測(cè)位置確定→檢測(cè)的實(shí)施及要求。8.2檢測(cè)前準(zhǔn)備8.2.1應(yīng)獲知被檢測(cè)構(gòu)件材料的縱波聲彈性系數(shù)∈L和橫波聲彈性系數(shù)es(見(jiàn)7.2或7.3)。8.2.2應(yīng)制備基準(zhǔn)零應(yīng)力試樣，以獲得基準(zhǔn)零應(yīng)力狀態(tài)下的縱波聲時(shí)TLo和橫波聲時(shí)Tso(見(jiàn)7.4)。8.2.3殘余應(yīng)力體波檢測(cè)儀器和探頭應(yīng)在校準(zhǔn)有效期內(nèi)且工作正常，工裝安裝應(yīng)穩(wěn)定可靠。8.2.4檢測(cè)探頭形廓應(yīng)滿(mǎn)足檢測(cè)構(gòu)件表面粗糙度，即體波探頭有效地接收到底面的反射縱波和橫波。8.3檢測(cè)位置確定依據(jù)構(gòu)件受力分析或用戶(hù)提出或由合同雙方商定。8.4檢測(cè)的實(shí)施及要求8.4.1被檢測(cè)構(gòu)件表面應(yīng)清潔無(wú)污，體波探頭與被檢測(cè)構(gòu)件表面的耦合狀態(tài)應(yīng)與聲彈性系數(shù)標(biāo)定及縱波聲時(shí)和橫波聲時(shí)測(cè)量時(shí)的耦合狀態(tài)基本一致。8.4.2對(duì)基準(zhǔn)零應(yīng)力試塊進(jìn)行檢測(cè)，在指定位置上放置超聲體波探頭，當(dāng)耦合狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，體波檢測(cè)儀器開(kāi)始檢測(cè)工作，獲得Tl和Ts。溫度傳感器測(cè)量試塊的溫度。8.4.3對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，在指定位置上放置超聲體波探頭，當(dāng)耦合狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，體波檢測(cè)儀器開(kāi)始檢測(cè)工作，在確保有清晰體波回波的基礎(chǔ)上，正確截取波段，計(jì)算聲時(shí)T?和Ts,得到體波傳播方向上的應(yīng)力數(shù)值和狀態(tài)。正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力(對(duì)零應(yīng)力試塊和構(gòu)件檢測(cè)的過(guò)程中，回波峰值應(yīng)保證在體波檢測(cè)儀滿(mǎn)量程的60%到80%)。檢測(cè)構(gòu)件時(shí)的環(huán)境溫度應(yīng)在檢測(cè)零應(yīng)力試塊時(shí)溫度6GB/T38952—2020±15℃范圍內(nèi)，并對(duì)檢測(cè)到的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償和修正；如果超出該溫度范圍，應(yīng)對(duì)零應(yīng)力聲時(shí)進(jìn)行重新標(biāo)定。8.4.4檢測(cè)流程中應(yīng)使用零應(yīng)力試塊進(jìn)行標(biāo)定，細(xì)化檢測(cè)流程。9檢測(cè)儀器校準(zhǔn)應(yīng)定期對(duì)殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)儀器進(jìn)行綜合性能校準(zhǔn)，以確認(rèn)其測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)間隔最長(zhǎng)不超過(guò)一年。具體校準(zhǔn)方法見(jiàn)附錄C。10檢測(cè)報(bào)告的編寫(xiě)10.1檢測(cè)記錄在殘余應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程中，可以手動(dòng)或自動(dòng)記錄檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)包括檢測(cè)環(huán)境溫度、工件材料、10.2檢測(cè)報(bào)告7GB/T38952—2020(規(guī)范性附錄)A.1概述本附錄規(guī)定了殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)中拉伸試樣的制備方法。A.2拉伸試樣的制備A.2.1拉伸試樣的材料A.2.2拉伸試樣的形狀尺寸拉伸試樣的形狀如圖A.1所示，尺寸范圍見(jiàn)表A.1,允許誤差±0.1mm。標(biāo)定面的表面粗糙度RaD--—拉伸試樣上、下端的直徑；h——拉伸試樣上、下端的厚度；L——拉伸試樣中間部分的長(zhǎng)度。圖A.1拉伸試樣形狀表A.1拉伸試樣的尺寸范圍單位為毫米上下端厚度h中間部分長(zhǎng)度L總長(zhǎng)度上下端直徑D中間部分直徑d8GB/T38952—2020A.2.3拉伸試樣的零應(yīng)力處理選擇下述方法之一，對(duì)試樣進(jìn)行去應(yīng)力處理：a)按GB/T16923所述方法，利用退火熱處理對(duì)試樣進(jìn)行去應(yīng)力處理，退火后試樣的金相組織狀態(tài)應(yīng)與被檢件的材料組織狀態(tài)相同。b)按GB/T25712所述方法，利用振動(dòng)時(shí)效對(duì)試樣進(jìn)行去應(yīng)力處理。c)按附錄B的相關(guān)方法，對(duì)試樣進(jìn)行去應(yīng)力處理。9GB/T38952—2020(規(guī)范性附錄)部分常用殘余應(yīng)力消減方法的基本原理B.1概述本附錄給出了幾種常用的機(jī)械構(gòu)件殘余應(yīng)力消除方法的基本原理，提供在殘余應(yīng)力的消除和基準(zhǔn)零應(yīng)力試樣制備過(guò)程中參考應(yīng)用。如果在生產(chǎn)實(shí)際中有更好的消除方法，同樣也可以采用。B.2常用產(chǎn)品殘余應(yīng)力消除方法的基本原理B.2.1殘余應(yīng)力消減的高能聲束(AcousticBeam)方法基本原理基于高能超聲對(duì)材料的塑性誘導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)作用于材料內(nèi)的聲束能量大于殘余應(yīng)力構(gòu)成的勢(shì)能時(shí)，激活材料錯(cuò)位晶格，使得晶格從畸變狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，從而起到消減殘余應(yīng)力目的。B.2.2殘余應(yīng)力消減的退火(Annealing)方法基本原理利用熱處理當(dāng)中的退火技術(shù)，在熱作用下通過(guò)原子擴(kuò)散及塑性變形來(lái)促使內(nèi)應(yīng)力得到消減。B.2.3殘余應(yīng)力消減的振動(dòng)(Vibration)方法基本原理通過(guò)控制激振器的激振頻率，使工件發(fā)生共振和交變運(yùn)動(dòng)并吸收部分能量，以致材料內(nèi)部發(fā)生微觀(guān)粘彈塑性力學(xué)變化，從而降低和均化工件局部殘余應(yīng)力集中分布狀態(tài)。B.2.4殘余應(yīng)力消減的短沖擊(ShortPining)法基本原理超聲沖擊處理方法是一種以針式?jīng)_擊頭以較高頻率撞擊機(jī)械構(gòu)件表面使其發(fā)生塑性變形來(lái)消減構(gòu)件表面殘余應(yīng)力的方法，有細(xì)化晶粒的作用，同時(shí)對(duì)構(gòu)件表面帶來(lái)微損傷。B.2.5殘余應(yīng)力消減的自然時(shí)效法基本原理殘余應(yīng)力自然時(shí)效消減方法通常是通過(guò)把零件暴露于自然環(huán)境下，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月至幾年的時(shí)間，使構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力得到逐步釋放的一種方法。B.2.6殘余應(yīng)力消減的人工錘擊法基本原理人工錘擊法是利用金屬錘直接敲擊或沖擊機(jī)械構(gòu)件表面而消減構(gòu)件材料殘余應(yīng)力的一種方法，消減效果取決于試件剛度、錘頭材質(zhì)和操作者熟練程度，該方法通常只能消減構(gòu)件表面殘余應(yīng)力。(規(guī)范性附錄)檢測(cè)儀校準(zhǔn)方法本附錄規(guī)定了殘余應(yīng)力超聲體波檢測(cè)儀的