GBT 38952-2020 无损检测 残余应力超声体波检测方法

书书书犐犆犛１９．１００犑０４!#$%&’’()*犌犅／犜３８９５２—２０２０!#$　%&’()*+,#$-.犖狅狀犱犲狊狋狉狌犮狋犻狏犲狋犲狊狋犻狀犵—犜犲狊狋犻狀犵犿犲狋犺狅犱犳狅狉犿犲犪狊狌狉犻狀犵狉犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊狌狊犻狀犵犫狌犾犽狑犪狏犲２０２００６０２/0２０２０１２０１12’(+,-./012’()*3/0456/0书书书目　　次前言Ⅲ…………………………………………………………………………………………………………１　范围１………………………………………………………………………………………………………２　规范性引用文件１…………………………………………………………………………………………３　术语和定义１………………………………………………………………………………………………４　人员要求１…………………………………………………………………………………………………５　检测要点１…………………………………………………………………………………………………６　检测系统３…………………………………………………………………………………………………７　纵波和横波声弹性系数标定４……………………………………………………………………………８　检测流程５…………………………………………………………………………………………………９　检测仪器校准６……………………………………………………………………………………………１０　检测报告的编写６…………………………………………………………………………………………附录Ａ（规范性附录）　拉伸试样的制备方法７……………………………………………………………附录Ｂ（规范性附录）　部分常用残余应力消减方法的基本原理９………………………………………附录Ｃ（规范性附录）　检测仪校准方法１０…………………………………………………………………参考文献１２……………………………………………………………………………………………………Ⅰ犌犅／犜３８９５２—２０２０前　　言　　本标准按照ＧＢ／Ｔ１．１—２００９给出的规则起草。本标准由全国无损检测标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ５６）提出并归口。本标准起草单位：北京理工大学、上海材料研究所、中钢集团郑州金属制品研究院有限公司、四川航天长征装备制造有限公司、内蒙古第一机械集团有限公司、西安先进应力检测控制技术有限公司。本标准主要起草人：徐春广、李志向、蒋建生、张钫、焦京俊、李全文、潘勤学、周世圆、丁杰、杜劭峰、郝娟、韩丽娜、肖定国、郑森木、王军强、宋剑峰、卢钰仁、尹鹏、栗双怡、苗兆伟。Ⅲ犌犅／犜３８９５２—２０２０无损检测　残余应力超声体波检测方法１　范围本标准规定了残余应力超声体波检测的术语和定义、人员要求、检测要点、检测系统、纵波和横波声弹性系数标定、检测流程、检测仪器校准和检测报告的编写要求。本标准适用于采用超声体波进行材料残余应力的检测。２　规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ＧＢ／Ｔ２２８．１　金属材料　拉伸试验　第１部分：室温试验方法ＧＢ／Ｔ７２３２　金属热处理工艺　术语ＧＢ／Ｔ７７０４　无损检测　Ｘ射线应力测定方法ＧＢ／Ｔ９４４５　无损检测　人员资格鉴定与认证ＧＢ／Ｔ１２６０４．１　无损检测　术语　超声检测ＧＢ／Ｔ１６９２３　钢件的正火与退火ＧＢ／Ｔ１８８５２　无损检测　超声检验　测量接触探头声束特性的参考试块和方法ＧＢ／Ｔ２５７１２　振动时效工艺参数选择及效果评定方法ＧＢ／Ｔ３２０７３　无损检测　残余应力超声临界折射纵波检测方法３　术语和定义ＧＢ／Ｔ７２３２、ＧＢ／Ｔ１２６０４．１界定的以及下列术语和定义适用于本文件。３．１超声体波　犫狌犾犽狑犪狏犲纵波的偏振方向与传播方向平行的纵波和偏振方向与传播方向垂直的横波。３．２体波探头　犫狌犾犽狑犪狏犲狆狉狅犫犲能够产生纵波和横波的探头。４　人员要求采用本标准进行检测的人员，应按照ＧＢ／Ｔ９４４５或合同各方同意的体系进行资格鉴定与认证，并由雇主或代理对其进行岗位培训和操作授权。５　检测要点５．１　检测原理依据声弹性在材料中与超声波传播方向一致的应力影响其传播速度，压缩应力加快超声波传播速１犌犅／犜３８９５２—２０２０度、拉伸应力减慢超声波传播速度，用一个已知应力、且与被测构件材质与形状相同的构件为应力基准，通过检测构件材料内部超声波传播速度的变化可以得知构件内部应力的拉压状态和具体数值，应力拉压状态通常用“＋”表示拉伸应力、“－”表示压缩应力。由于许多现场工况中的板厚度尺寸和杆棒轴类构件的轴向尺寸、以及超声纵波或横波传播速度变化难以准确获得。因此，将残余应力纵波和横波检测方法结合起来，可以在未获知构件板厚或轴向尺寸的前提下，就可以获得超声纵波和横波传播方向上的应力状态和数值。已知构件材料的零应力状态，则由声弹性原理可知，被检测材料中纵波和横波传播方向上的应力σ如式（１）［１］所示：σ＝犜２Ｌ犜２Ｓ０－犜２Ｓ犜２Ｌ０εＳ犜２Ｓ犜２Ｌ０－εＬ犜２Ｌ犜２Ｓ０…………………………（１）　　式中：σ———纵波和横波传播方向上的应力，单位为兆帕（ＭＰａ）；犜Ｌ０———零应力纵波的声时，单位为纳秒（ｎｓ）；犜Ｓ０———零应力横波的声时，单位为纳秒（ｎｓ）；犜Ｌ———有应力纵波的声时，单位为纳秒（ｎｓ）；犜Ｓ———有应力横波的声时，单位为纳秒（ｎｓ）；εＬ———纵波声弹性系数，单位为每兆帕（ＭＰａ－１）；εＳ———横波声弹性系数，单位为每兆帕（ＭＰａ－１）。５．２　检测区域本标准规定的方法所测到的应力是体波探头下面材料内部沿声波传播方向上应力的平均值，检测区域横向范围的大小取决于检测探头声激励和接收元件的横向截面尺寸，体波探头置于检测表面时，要求与被检测构件表面有效耦合，确保能独立地激发和接收超声纵波和超声横波，如图１所示。　　说明：犔———检测区域的纵向范围。图１　残余应力超声体波（纵波和横波）检测原理示意图检测区域纵向范围的大小（犔），对于杆棒轴类构件对应其长度，对于板类构件对应其厚度（曲面构件对应其法向厚度）。检测区域纵向范围（犔）的最大值取决于声衰减情况，即体波探头可以有效地接收到底面反射纵波和横波。２犌犅／犜３８９５２—２０２０５．３　被检测构件被检测构件材料应是透声良好的金属或非金属材料，构件表面粗糙度和形廓应不影响超声纵波和横波的有效耦合。６　检测系统６．１　基本要求用于本标准规定的残余应力无损检测系统，至少应包括有超声体波探头或超声纵波和／或横波探头、残余应力超声体波检测仪、温度传感器、耦合剂与固定辅助工装。６．２　超声体波探头６．２．１　超声体波探头（或超声纵波和／或横波探头）应同时发射和接收超声纵波和横波；根据被检测构件材料声学特性、尺寸与形廓、检测区域及长度（犔）等需求，选定超声体波探头的中心频率、发射面面积等参数，以确保在声波方向上获得超声纵波和横波。探头的声束特性按照ＧＢ／Ｔ１８８５２规定的方法测量。６．２．２　检测构件用和标定用的超声体波探头（或超声纵波和／或横波探头）应保持一致，主要包括中心频率、发射面面积、温度特性等参数。６．２．３　超声体波探头（或超声纵波和／或横波探头）接触面应与被检测构件表面良好贴合，必要时采用曲面楔块和固定辅助工装，探头的发射面面积通常应小于被检测构件截面积。６．２．４　凡是能有效产生和传播超声纵波和横波的探头都可以构成体波探头（或超声纵波和／或横波探头），如压电超声、电磁超声、激光超声等方式。６．２．５　超声体波探头（或独立的超声纵波和／或横波探头）中的纵波探头和横波探头可为一体式的，也可是分体独立式的。６．３　残余应力超声体波检测仪残余应力超声体波检测仪的作用是控制体波换能器激励和接收纵波和横波、计算超声体波传播时间和声波方向应力数值和状态；检测仪器可由脉冲收发仪、示波器等通用仪器构成，也可采用具有脉冲收发功能、波形数字化功能和计算机等软硬件部分构成。６．４　温度传感器通常温度传感器粘贴于体波检测探头附近，应在有效温度范围内准确获得被检测构件的真实温度，且测量精度满足Ａ级以上（或测量精度满足０．０１℃）（以铂电阻温度传感器为例）。６．５　耦合剂压电式超声体波探头应使用专用耦合液（如横波耦合剂），以保证在规定的工作温度范围内具有稳定可靠的声耦合。应力状态的检测和长期监测，应确保纵波和横波声弹性系数标定过程、基准零应力标定过程与构件实际检测过程的耦合状态基本一致。６．６　固定辅助工装压电式超声体波探头应使用固定辅助工装，应确保纵波和横波声弹性系数标定过程、基准零应力标定过程与构件实际检测过程的耦合状态基本一致。３犌犅／犜３８９５２—２０２０７　纵波和横波声弹性系数标定７．１　基本要求分别由声弹性理论计算和拉伸试验方法获得纵波和横波声弹性系数εＬ、εＳ；基准零应力体波声时犜Ｌ０、犜Ｓ０通过对基准零应力试样进行标定。７．２　声弹性系数的理论计算方法纵波声弹性系数εＬ按式（２）计算：εＬ＝（４λ＋１０μ＋４犿）／μ＋（２犾－３λ－１０μ－４犿）／（λ＋２μ）３λ＋２μ……………（２）　　横波声弹性系数εＳ按式（３）计算：εＳ＝λ狀／４μ＋４λ＋４μ＋犿μ（３λ＋２μ）…………………………（３）　　式中：λ，μ　———二阶拉梅弹性常数；犾，犿，狀———三阶默纳汉弹性常数。７．３　声弹性系数的拉伸试验方法７．３．１　拉伸试样拉伸试样形廓尺寸应符合附录Ａ中Ａ．２．２的要求，材料晶格取向应与被测构件材料一致，应按附录Ａ规定的方法制备。７．３．２　拉伸试验应按照ＧＢ／Ｔ２２８．１规定的方法，在常温环境（１０℃～３５℃）下，在材料弹性范围内对试样进行拉伸试验。拉伸试验前，首先应检测拉伸试样零应力状态下的纵波的声时犜Ｌ０和横波声时犜Ｓ０。拉伸试验过程中，残余应力超声体波检测仪测量所得纵波的声时变化Δ狋Ｌ、横波的声时变化Δ狋Ｓ与拉伸试验机输出的标准拉应力变化Δσ的关系分别如图２ａ）和图２ｂ）所示，测量不少于９个点，重复拉伸次数不少于５次，取平均值，对数据分别进行线性拟合，得到的直线斜率即为纵波声应力系数犓Ｌ和横波声应力系数犓Ｓ。犪）　纵波声应力系数犓犔线性拟合图犫）　横波声应力系数犓犛线性拟合图　　注：图中示例数据实验条件为：传感器中心频率为２．２５ＭＨｚ，被测构件为性能Ａ２７０的螺栓，室温为２３℃。图２　拉伸应力值与声时（Δ狋）的线性关系４犌犅／犜３８９５２—２０２０７．３．３　体波声弹性系数ε犔、ε犛纵波声弹性系数εＬ和横波声弹性系数εＳ分别由式（４）和式（５）计算得到：εＬ＝－２犓Ｌ犜Ｌ０…………………………（４）εＳ＝－２犓Ｓ犜Ｓ０…………………………（５）　　式中：犓Ｌ———纵波应力系数，单位为兆帕每纳秒（ＭＰａ／ｎｓ）；犓Ｓ———横波应力系数，单位为兆帕每纳秒（ＭＰａ／ｎｓ）；犜Ｌ０———零应力纵波的声时，单位为纳秒（ｎｓ）；犜Ｓ０———零应力横波的声时，单位为纳秒（ｎｓ）。７．４　零应力体波声时犜犔０、犜犛０的标定基准零应力试样可以按ＧＢ／Ｔ１６９２３要求利用反复退火方法制备，或按ＧＢ／Ｔ２５７１２要求利用振动时效法、高能声束控制法等方法（见附录Ｂ）消减残余应力，可以利用ＧＢ／Ｔ７７０４或ＧＢ／Ｔ３２０７３所述方法对残余应力的消减过程进行跟踪检测和判定。通常要求基准零应力试样与被检测试样的材质、尺寸形廓和检测表面粗糙度相同或相近。对上述基准零应力试样进行超声纵波和横波检测得到的声时即为零应力体波声时犜Ｌ０和犜Ｓ０。８　检测流程８．１　基本要求残余应力超声体波检测的基本流程包括：检测前准备→检测位置确定→检测的实施及要求。８．２　检测前准备８．２．１　应获知被检测构件材料的纵波声弹性系数εＬ和横波声弹性系数εＳ（见７．２或７．３）。８．２．２　应制备基准零应力试样，以获得基准零应力状态下的纵波声时犜Ｌ０和横波声时犜Ｓ０（见７．４）。８．２．３　残余应力体波检测仪器和探头应在校准有效期内且工作正常，工装安装应稳定可靠。８