超声临界折射纵波定量评定合金钢近表层布氏硬度试验方法的研究

为了解决合金钢构件布氏硬度无损、在线、在役定量监/检测问题,构建并使用先进临界折射纵波参量试验装置,开展了超声临界折射纵波定量评定合金钢近表层布氏硬度的试验,测量超声临界折射纵波在合金钢标定试件上的传播特性参量,计算评定布氏硬度所需的检测参量,即声速及衰减系数。通过改变收、发探头前沿间距和标定试件的显微织构,观察上述变化对超声波传播特性参量的影响,遴选并评定合金钢标定试件布氏硬度敏感检测参量,建立了临界折射纵波定量评定45#钢标定试件近表层布氏硬度标定映射关系的数学模型,并验证其预测准确度。结果表明,试验所得的临界折射纵波检测参量对标定试件布氏硬度的敏感程度不同,声速与布氏硬度具有较强的关联性,且声速预测模型的测量误差为实际应用的10%,满足要求;而衰减系数不能作为评价合金钢近表层布氏硬度性能的检测参量。本研究为采用超声无损检测方法评定合金钢构件布氏硬度提供了一定的借鉴。

基于临界折射纵波法的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测

盆式绝缘子是GIS的关键绝缘器件,与两侧气室法兰通过螺栓进行紧固连接,当螺栓松动时会导致盆式绝缘子应力分布不均,从而影响GIS运行的安全性和稳定性。文中提出了一种基于超声临界折射纵波(L_(CR))的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测方法,根据L_(CR)波在盆式绝缘子法兰表面的传播声时差来反映螺栓松动情况。结果表明,当相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓之间的法兰表面声时差变化最大,且变化量大于24 ns;当不相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓正对的法兰表面声时差变化最大,且声时差变化量大于10 ns,并且螺栓松动程度越大,超声传播声时差变化量越大。该检测方法可实现对盆式绝缘子法兰螺栓松动的检测,判断螺栓松动数量及位置,具有一定的工程实用价值。

临界折射纵波(L_(CR)波)传播机理的研究

文章旨在用有限元法模拟LCR波的传播过程,初步探讨LCR波的传播机理。作者用有限元法模拟了LCR波在钢轨中传播的声场分布,并且对钢轨中LCR波的传播作了实验。用有限元法得到的接收楔块斜面所接收到的能量对时间的曲线与实验中接收楔块接收到的信号有较一致的结果:波形曲线趋势相同,在第一个波峰后都有第二个峰值。从有限元分析和实验结果得出结论:LCR波是纵波以第一临界角入射时产生的特殊模式,是一种特殊的头波,这与激发超声波的换能器和被测材料是有限尺寸的介质而不是无限大介质有关。

超声临界折射纵波测量应力的温度影响

超声临界折射纵波(LCR波)法是无损检测工作状态下结构应力的有效方法。超声LCR波法是敏感测量方法,温度直接影响超声波的传播速度,也会引起超声换能器的尺寸变化。根据超声波测量应力的基础理论-声弹性理论,分析声弹性系数和零应力下飞行时间与温度的定量关系,得到超声波测量应力的温度补偿公式,通过试验测量不同温度下超声LCR波飞行时间。结果表明温度对超声LCR波测量应力的影响归结于温度对超声LCR波传播声程的影响,温度越高超声LCR波传播的有效声程越长;设计的一发两收超声换能器可有效地消除声楔块和耦合剂的影响,将温度的影响程度降低至10%,可显著提高测量精度和稳定性;试验测量与理论计算得到的飞行时间与温度关系有着良好的一致性,充分验证了补偿公式的准确性。

利用临界折射纵波检测钢轨应力

重点叙述了利用临界折射纵波(criticallyrefractedlongitudinalwave(LCR波)来检测钢轨应力的实验方法。 该方法如果用于实际测量,可以提高钢轨检测的工作效率,节约在铁路维护上的开支,加速实现铁路的高效运营。 文中详细介绍了整套实验系统以及实验数据采集,并根据应力与声速的线性关系进行分析,其实验误差小于5%。 该结果证明了超声波测量钢轨应力的可行性。

临界折射纵波探头声束特性的边界元分析与测量

与其他超声应力测量方法相比,临界折射纵波(LCR波)方法对应力场敏感,受材料组织结构效应影响小,在材料表面或近表面残余应力无损测量中具有突出的优势。本文应用边界元方法对LCR波探头发射的临界折射纵波的传播特性和声束特性进行分析并进行了实验测量。建立了IIW试块圆弧反射部分的三维边界元模型。通过数值分析,清楚显示了LCR波在IIW试块中的传播过程,给出了LCR波探头的主声束指向特性。计算结果为有关LCR波应力测量中声波能量有效渗透深度和能量层厚度的确定提供了理论依据。利用IIW试块实验测量了LCR波探头的声束特性,实验测量与数值分析结果符合得很好。本文的研究结果对研究厚板材料内部切向残余应力的LCR波测量方法具有指导意义。

基于临界折射纵波无损评价激光熔覆层应力

基于临界折射纵波声弹性理论对激光熔覆层应力的评价方法进行研究.结果表明,激光熔覆层各向异性组织及层间界面是导致其临界折射纵波信号信噪比低、波形畸变程度大的主要因素,弹性极限内随应力的增大,临界折射纵波信号间时间差基本呈线性规律增大,当应力达到658 MPa时,再随应力的增大,时间差呈跳跃趋势变化,激光熔覆层各向异性组织引起的熔覆层不均匀塑性变形是导致上述结果的主要因素,且随应力的增大该影响程度亦逐渐增大.应力验证结果最大相对误差为4.5%,因而认为采用临界折射纵波法可实现激光熔覆层应力的无损评价.

纯铁低周疲劳表面/亚表面损伤临界折射纵波评价

金属材料构件表面/亚表面损伤严重降低构件的表面完整性。针对早期力学损伤的评价难题,研究了基于临界折射纵波(critically refracted longitudinal wave,LCR)的无损评价方法。以纯铁低周疲劳损伤为对象,分析其循环应力-应变响应及组织形貌演变,建立了LCR波归一化幅值与疲劳加载周次的对应关系,并与常规超声脉冲回波法对比分析。结果表明:对于薄片状试样,LCR波在测试过程中的稳定性显著高于常规超声脉冲回波法,且前者归一化幅值与加载周次呈单调递减关系,后者归一化幅值和超声衰减系数与加载周次关系并不单调,证实LCR波适于工程构件表面/亚表面力学损伤无损评价。

基于临界折射纵波的超声波应力测量方法

在对现有各种残余应力测量方法进行分析比较的基础上,提出基于临界折射纵波的超声波技术测量应力。采用一发两收的探头布置形式,对5%Cr圆板进行超声应力测量,同时与应用X射线衍射法和盲孔法测得的结果进行比较。试验证明了基于临界折射纵波的超声波应力测量法的可行性。

基于临界折射纵波法的CFRP应力检测

研究了不同纤维方向与应力方向对复合材料声弹性关系的影响。为了在材料内部激励临界折射纵波,本文根据斯涅耳定律设计了超声入射楔块,并搭建了声时差检测系统。并使用搭建的系统分别测量了0°、45°单向铺设的两种试样在0°、45°和90°方向的声时差变化,得到了不同加载方向和纤维方向组合情况下,由CFRP材料内部应力与声时差表征的声弹性关系。

基于超声临界折射纵波的管道应力状态无损测量方法

油气管道多年运行后不可避免出现额外变形,现场管道运行维护工作者正面临准确评价危险管段安全裕度的难题,迫切需要可直接测量管道运行工况下应力的手段,为快速准确评价管道安全裕度提供定量的参考数据。利用超声临界折射纵波(LCR波)波速与应力呈定量关系的超声波法是管道运行工况下应力测量的有效方法。本文基于声弹性理论,分析了超声LCR波传播方向平行于加载方向时波传播时间与应力的关系,推导了一定声程下超声LCR波测量变形管道应力的公式,研制了油气管道运行状态下应力的专用超声测量装置;研究了管壁表面两向应力状态测量方法、温度补偿公式、LCR波在弹塑性变形中的响应规律,开展了现场测量应用实践,形成基于超声LCR波的管道应力状态无损测量技术。研究结果为现场变形管道应力的准确测量提供技术手段,为管道运行期间的安全评估提供准确数据,对保障管道安全有着重要工程意义。

基于临界折射纵波的表面残余应力测试方法

针对成形加工表面存在残余应力的问题,从临界折射纵波的特性着手,分析了临界折射纵波与应力的关系,阐述了临界折射纵波应力测量的基本原理和测试方法。采用"一发两收"的探头布置形式,先对被测材料的应力常数加以标定,再测试表面残余应力。测试试验结果表明,达到了测试表面残余应力的目的。该测试方法原理简单,设备轻便,且能够保证较高的精度,可实现现场或在役检测。

基于同步压缩变换的临界折射纵波波速精确测量

基于声弹性效应,采用临界折射纵波检测金属材料的残余应力有较为广泛的应用前景。然而临界折射纵波速对应力的声弹性效应较弱,这很大程度上影响了材料应力检测的分辨率。为了提高临界折射纵波波速检测精度,提出一种非线性分解技术(同步压缩变换)对临界折射纵波进行波形变换与重构,精确计算超声到达时刻。以1 060铝板为研究对象,基于有限元仿真软件分析了铝板中临界折射纵波的波形特性,以此为依据调节实验中的超声波信号从而提高实验中临界折射纵波的波形准确性。实验精确测量临界折射纵波在1 060铝板中的传播时间,并计算了铝板中的波速,误差不超过0. 05%。实验结果验证了提出的临界折射纵波波速精确计算方法的有效性。

环氧复合绝缘表面微裂纹检测的超声临界折射纵波法

气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)盆式绝缘子表面微小裂纹在工作电压及运行环境下进一步发展,可引发局部放电或沿面闪络,威胁设备的安全运行。针对此,制备252 kV GIS盆式绝缘子相同材料和工艺的环氧复合材料试样,制作表面微裂纹,并搭建超声检测系统,进行取向、高度不同的裂纹超声临界折射纵波(critically refracted longitudinal waves,LCR)检测试验;提出单探头模式下以缺陷反射波来确定裂纹,双探头模式下以接收波幅值的变化来评估裂纹的检测方法。结果表明,用2.5 MHz超声可变角探头,单探头和双探头模式均可检测到高0.5~2.0 mm、取向不同的表面微裂纹,裂纹高度和波形幅值呈线性关系;与单探头模式相比,裂纹取向对双探头模式检测效果的影响较小。

基于临界折射纵波的钢轨温度力监测方法

传统温度力检测方法受检测原理和传感元件效率的制约,难以对无缝线路钢轨温度力进行快速准确的实时监测。提出一种基于临界折射纵波的无缝线路温度力在线监测方法,以声弹性原理为基础,采用Snell定理计算超声纵波最佳入射角,通过中性温度点实现无缝线路温度力实时检测。分别搭建了温度力在线监测硬件和软件系统对理论算法进行实践,利用移动网络传输的方式将实时监测波形发送到云端服务器,将原始波形的波峰作为特征数据,通过标定实验去除残余应力对温度力检测结果的干扰。结果表明:临界折射纵波可以有效地实现无缝线路钢轨温度力测量,结合建立的硬件和软件系统为无缝线路服役性能关键参数管理提供了新途径,建议继续深化钢轨温度力监测研究。

基于临界折射纵波法Q345C焊接接头残余应力检测

基于声弹性理论,采用临界折射纵波法测量12 mm厚Q345C钢对接接头残余应力,测试过程中采用频率2.5 MHz的一发一收探头,获得对接接头不同区域的残余应力分布状态。由于超声在传播过程中材料的微观组织尺寸和形貌会影响超声波的传播速度,通过对焊接接头不同区域分别进行标定,得到各个区域的应力系数K,提高了Q345C钢焊接接头残余应力测试的精度。通过修正焊接接头微观组织差异性对超声波声速的影响,促进临界折射纵波法测试残余应力的工程化应用。

基于临界折射纵波递归定量分析的纯铁疲劳损伤无损评价

利用超声检测技术无损评价金属材料的疲劳损伤程度,是保证高性能零部件承载性能和服役可靠性的重要手段。以工业纯铁低周疲劳损伤为研究对象,提出将临界折射纵波(critically refracted longitudinal,L_(CR))与递归定量分析相结合的无损评价方法。结果表明:拉-压加载过程中表现为循环硬化,随加载周次增加至1000周次,L_(CR)波幅值及对应归一化幅值差A_(dif)整体呈单调变化,5 MHz检测频率的灵敏度高于2.25 MHz。进一步对L_(CR)波进行递归定量分析,递归图随疲劳损伤发展变化明显,提取归一化递归度差RR_(dif)作为损伤指标,较时域、频域和时频域最大幅值等指标的灵敏度显著提升,增加幅度最大可达44%,为早期疲劳损伤的无损评价提供了新手段。

表面裂纹深度和取向的临界折射纵波检测

针对表面裂纹深度和取向的无损表征难题,提出一种基于临界折射纵波(L_(CR))的检测方法。以碳钢试块表面垂直裂纹(深度为1~8 mm)、倾斜裂纹(长度为10 mm,倾角为15°~90°)为检测对象进行试验,分析了裂纹深度、取向对L_(CR)波信号的影响规律,通过信号幅值和B扫描成像表征裂纹。试验结果表明,L_(CR)波在传播过程中会受到表面裂纹的遮挡作用,并在裂纹尖端产生衍射。随裂纹深度增加,遮挡作用增强,透射L_(CR)波幅值下降且到达时刻延后,对裂纹取向不敏感;B扫描图像中L_(CR)波及对应尖端衍射波的位置、方向与裂纹的深度、取向具有良好的一致性。该检测方法为表面裂纹的有效表征提供了新思路。

基于临界折射纵波的声时差-表面应力关系获取方法研究

机床关键零部件应力的存在会加剧其摩擦磨损,严重影响机床的加工精度和使用寿命,对结构表面应力的检测显得十分重要。文章探究了超声临界折射纵波的检测原理,分析各个因素对声时差反射系数的影响规律;根据被测件材料参数设计了楔形块的角度;设计加工了10个标准实验件,通过拉伸试验机和超声检测装置分别测得10个试件的声时差反射系数;分析声时差系数不同的原因,为基于超声波检测表面应力提供了理论与方法支持。

微观组织对临界折射纵波横向焊接残余应力测量结果的影响

焊接过程中较高的热输入容易引起较高的焊接残余应力,而较高的残余应力有可能降低工件疲劳寿命,促进裂纹萌生扩展,增加应力腐蚀敏感性。表面和内部的焊接残余应力的无损检测对服役可靠性的评估具有重要意义。临界折射纵波(LCR波)残余应力的测量原理是基于声波传播速度的改变和应力之间的线性关系。当使用LCR波测量横向焊接残余应力时,收发换能器可能同时覆盖焊缝(MZ)、热影响区(HAZ)以及母材(PM)中的两个甚至三个区域,然而这些区域微观组织的差异性都可能影响应力常数K,当测量距离焊缝中心不同距离的残余应力时,有必要对应力常数K进行修正,提高LCR波对横向焊接残余应力的测量精度。