轧辊表面残余应力测试方法的对比试验研究

比方向 1上的应 力值, 并用相关公式进行计算后可得出, 利用基 于临界折射纵波法 测试的 应力 值与利 用 X 射 线衍射 法和 盲孔
位置
1M 探头测量值
1 /M Pa
2 /M Pa
3M 探头测量值
1 /M Pa
2 /M Pa
法测试的结果具有较好的一致性。
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152
121
3. 1 超声波法测试的结果
[收稿日期 ] 2008- 08- 18 [基金项目 ] 浙江省自然科学基金 ( Y 106187) [作者简介 ] 虞付进 ( 1965- ) , 男, 浙江义 乌人, 副 教授, 硕士, 从 事机械 设计制造及自动化、超声波检测领域的科研和教学工作。
图 1 临界折射纵波的传播模式 F igure 1 Propagation mode of the crit ically refracted long itud inal wave
图 2 不同方位的晶面间距示意图
Figure 2 Schemat ic diagram of interplanar distance of d ifferent azmi ut
残余应力 的计算公式为:
=
-
E 2( 1+
)
c tg 0
(2 ) ( sin2 )
( 2)
式中, E 为材料的弹性常数, 为材料的泊松比, 为衍射面
YU F u-j in1, HUA Yun-song2, ZHANG K e-hua1, 3, D ING J in-fu1 ( 1. Institute ofM achinery E qu ipm en t and M easurem ent& Contro l T echno logy, Zhejiang Norm al Un iversity, Jinhua
第 37卷 第 6期 2008年 12月 Vo.l 37 N o. 6 D ec. 2008
表面技术
SURFACE TECHNOLOGY
45
收探头接收到声波的时间差来衡量超声波在材料中的传播速度
变化, 利用 LCR 波的声弹常数与应力之间 的特定关系 来进行残 余应力测量 [ 8] 。
相对零应力试样的应力改变量计算公式为:
321004, Ch ina; 2. Un iversity of Shanghai for Science and T echno logy, Shangha i 200093, China; 3. Zhejiang Un iversity of T echno logy, H angzhou 310032, China)
放应变大小, 即可利用相 应的计算 公式确 定被测 处的原 始残余
应力大小 [ 10] , 如图 3所示。
图 4 钢板试样 ( 含 5% C r) 照片及残余应力测量点位置分布 Figure 4 P icture of test specim en and locat ion d istribut ion of po ints
进行超声波法应力测量 时整个 圆板表面 为磨削 状态, 测量
203
82
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78
点 、 、 的位置分布见图 4, 计算结 果见 表 2, 其中 1 和 2 分别为测点的最 大和 最小主 应力 (文 后类同 )。定义 盲孔 法测 量退火后的钢板 试件 (含 5% C r) 结果 中 点 的残 余应 力 值为 0M P a, 即该点测得的超声波 声时差对应的 残余应力 为 0M P a, 利 用钢 (含 5% C r)标定板 应力常数标 定结果, 计算 得出表 2 中 、
1残余应力测试方法与原理1基于lcr波测试法如图1所示探头产生的lcr波沿着试件表面并在表层下一定深度以体波的特性接近纵波波速传播与横波相比应力有更高的灵敏度受材质的影响更小还具有对表面不规则形状如表面轻微的腐蚀等不敏感的优点因此可用2个距离固定的lcr波接收探头本文2个接收探头距离38mm来消除电路上的延时和接触区对测量精度的影响可根据2个接propagationmodecriticallyrefractedlongitudinalwave2008年12月vol37dec2008surfacetechnology45收探头接收到声波的时间差来衡量超声波在材料中的传播速度变化利用lcr波的声弹常数与应力之间的特定关系来进行残余应力测量为超声波应力常数
表 1 X射线衍射应力测量仪的工作参数 T able 1 W orking parameters of X ray stress measurem ent device
序号
项目
参数
1
靶材
Cr
2
滤波片
V
3
X 管电压
30kV
4
X 管电流
8mA
5
时间常数
16s
6
应力常数
- 318. 00M Pa / deg.
地排列, 从而形成点阵 并构成 一系列 晶面。当材 料中存 在拉应 力时, 平行于应力方向的晶面间距缩小, 同时其它方向的晶面间 距增大 (如 图 2所 示 ) 。当材 料 中存 在压 应 力时 情 况则 相 反。 因此, 通过测量不同方位角 所对 应的晶 面间距 即可确 定材料
中的应力值 [ 9] 。
[摘 要 ] 轧辊 体积大且辊面状态又不好, 尤其是热轧辊的 表面常 有氧化 膜和微 裂纹, 在测量 时又不 能损伤轧 辊表面, 因 此,
轧辊残余应力的测量较困难。为验证临界折射纵波法测轧辊表面残余应力的准确性, 用超声波法、X 射线法和盲孔法对同一 试件进
行了应力测量。对这 3种 测量方法所测得的结果进行比较后, 评价超声波法的 可靠性和有效性。试验结果显示: 临界折射纵 波法测
纵向和横向残余应力的计算采用 ( 3)式。
x = 1 cos2 + 2 sin2
( 3)
y = 1 sin2 + 2 cos2
负值表示压 缩应力, 正值表示拉伸应
别为测点的最大 和最小主应力, 为最大主 应力与 R1 片参 考轴
的夹角。
2 试验及测试
2. 1 试验样本
对比试验选用常用的 轧辊 材料 钢板 (含 5% C r), 从实 际轧 辊上切下辊段制 成圆 盘作为 试样 (如 图 4a所示 ), 各测 试点 分 布如图 4b所示。
[ K ey words] Residual stress; Ro ller; T est m e thod; Critica l refracted long itudina l w ave
0引 言
各工业国都十分重视对 残余应 力的研究 , 欧 洲最重 要的残 余应力会议 ( ECRS)已举行了 6届, 各国相关研究工作者都踊跃 参加。对于残余应力的检测 研究虽 已开展 多年, 其检测 方法与 手段不少, 但由于临界折射纵波 ( 即 LCR 波 )是纵波以第一临界 角入射时产生的特殊模式, 能在试件表层下一定深 度内传播, 不 仅具有表面波和体波的特性, 而且 还具有 对应力 变化非 常敏感 这一特性, 所以在一些特 殊应用方 面具有 比传统 的表面 波和体 波更优越的性能, 是 无损 检测方 法中 最具发 展前 景的 [1] 。 Bray D E等学 者 对 在 各种 材 料 中 用 LCR 波 技 术 测 应 力 进行 了 试 验 [ 2-4] 。早期波兰研 究者 利用 该技 术测 量钢 轨中 的应 力, 并取 得了一定的成效 [ 5-6] 。同时 B ray D E 等还探讨了织构对 LCR 波 的影响, 研究表 明, LCR 波 对织 构不 敏感 [7] 。本 文用 自制 的基 于 LCR 波法测应力系统在 轧辊上进行试验, 为了综合 评价该系 统测试结果的准确性和可靠性, 将 LCR 波 法与目前相 对较成熟
的 X 射线衍射法和盲孔法进行了对 比测试, 为进一 步研究 超声 波在金属内部的 传播机理以及在轧辊等金属构件上的应用打下 基础。
1 残余应力测试方法与原理
1. 1 基于 LCR波测试法
如图 1所示, 探头产生 的 LCR 波沿着试件表面并 在表层下 一定深度以体 波的 特性 (接近 纵波 波速 ) 传播, 与 横波相 比, 对 应力有更高的灵敏度, 受材质的影响更小, 还具有对表面不规则 形状 (如表面轻微的腐蚀等 )不敏 感的优点, 因此 可用 2个 距离 固定的 LCR 波接收探头 (本文 2个接收探头距离 d 为 38mm )来 消 除电路 上的延 时和接 触区对 测量 精度的 影响 , 可根据 2个接
试的应力值与 X 射线衍射法和盲孔法测 试的结果具有较好的一致性。
[关键词 ] 残余 应力; 轧辊; 检测方法; 临界纵波
[中图分类号 ] TG 157
[文献标 识码 ] A
[文 章编号 ] 1001- 3660( 2008) 06- 0044- 03
Contrast Experim ental Study on R esidual Stress M easurem ent of Roller
[ A bstract] T he residual stress m easurem ent of ro ller is very d ifficu lt because that the ro ller has g igantic vo lum e, the surface is out of order and especia lly there are ox ide film and m icrocrack. In order to test the veracity o f the m ethod of the critical refracted long itudina l w ave m easurem ent ( CRLWM ), the CRLWM m ethod, the X radial m ethod and the dead ho le m ethod w ere em ployed to test the residual stress, and the test resu lt of th is three m ethods w as com pared to evaluate re liability and va lidity o f CRLWM. The result show s that the resu lt of a ll of the test m ethod is consentaneous.
7
衍射晶面
( 211 )
8
测量方法
9
计算方法
10
定峰方法
固定 0 角法 S in2 0
半高宽中点法
盲孔法的 测试 仪器 选用 T J-120- 1. 5 应变 花, 钻孔 设备 为 PSJ- 型 回转 式喷砂 打孔 装置, 应变 测试 设备选 用 Y C- 型 应 力测量仪。
图 3 钻孔时应变片的布置图 Figure 3 A rrangem en t d iagram of stra in gauge
法线与材料表面法线之间的夹角, 0 为无应 力时的衍射角。
1. 3 盲孔法
盲孔法的基本原理是在应力场内的待测点上钻一个适当直
径和深度的盲孔, 孔的邻域内由于部分应力释放, 使原有的残余 应力场失去平衡, 这时盲 孔周围材 料将会 产生一 定量的 释放应 变, 该应变大小与被释放的应力具有一定的比例关 系, 测出该释
=K t
( 1)
式中, 为应力的改变量; K 为超声波应 力常数; t为实际 工件中测得的声时差减去零应力试 样中的声时差, 即 t= t- t0。 因此, 只要得出应力常数 K 和 t即可计算出材料中的应力值。
1. 2 X 射线衍射法
X 射线衍射法测材料的残余应力是目前工程上应 用较广且 认为是最准确的无损检测法。金属材料中的原子通常是有规则
in w h ich m easu ring residual stress of circular flat-p late 5% C r
2. 2 试验仪器
采用自行研 制的 基 于 LCR 波的 超声 波 应力 测量 系 统。 X 射线衍射法测试 设备采用日本理学生产的 M SF-3M 型 X 射线衍 射应力仪, 其工作参数如表 1所示。
3 试验结果及分析
为了验证本 临界折射纵波 测应力 系统的 准确度和 可靠 性, 在试样上用超声 波法和 X 射线衍射 法进行测 试, 结果如 表 2和
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虞付进等 轧辊表面残余应力测试方法的对比试验研究
表 3所 示。由于 受试样尺寸 大小限制, 利 用超声波 法仅测 试了
表 2 超声波法测钢板 (含 5% Cr)残余应力的结果
方向 1上 (即 X 方向 )的应力值, 而利用 X 射线衍射法 和盲孔法 则测试了方向 1与方向 2( 即 Y 方向 ) 二个方向上的应力值。对
Table 2 Results on m easuring the res idual stress o f circular flat-pla te 5% Cr w ith ultrason ic stress m easurement m ethod
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虞付进等 轧辊表面残余应力测试方法的对比试验研究
轧辊表面残余应力测试方法的对比试验研究
虞付进 1, 华云松 2, 张克华1, 3, 丁金福 1 ( 1. 浙江师范大学机械装备与测控技术研究所, 浙江 金华 321004; 2. 上海理工大学, 上海 200093;
3. 浙江工业大学, 浙江 杭州 310032)