鋁合金析出相對(duì)超聲波殘余應(yīng)力測(cè)試精度的影響

楊曉川，程永明，朱忠尹，祝鵬飛

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

0 前言

隨著我國(guó)制造業(yè)的飛速發(fā)展，在大型裝備、承載結(jié)構(gòu)的制造和使用過程中，安全成為重中之重。其中，殘余應(yīng)力的危害不容忽視，它是焊接結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)中的重要一環(huán)。

目前殘余應(yīng)力的測(cè)量方法很多，主要分為有損測(cè)試和無(wú)損測(cè)試兩大類。有損測(cè)試包括切條法、切槽法、剝層法、盲孔法等；無(wú)損測(cè)試包括X射線衍射法、超聲波法、磁性法、中子衍射法等[1]。超聲波應(yīng)力測(cè)試法已有幾十年的發(fā)展歷史，發(fā)展相對(duì)較快，常用于應(yīng)力測(cè)試的波形有縱波、橫波、表面波、Lam波等。近十幾年，臨界折射縱波（LCR波）測(cè)量殘余應(yīng)力技術(shù)得到很大發(fā)展[2-5]，成為超聲波應(yīng)力測(cè)試技術(shù)中的主流方法。

在超聲波測(cè)量殘余應(yīng)力系統(tǒng)中，晶粒度、析出相、織構(gòu)是3種影響測(cè)試精度的主要微觀結(jié)構(gòu)。析出相是微觀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，亦稱為脫溶相或沉淀相，是飽和固溶體溫度降低時(shí)析出的相，或固溶處理后得到的過飽和固溶體在時(shí)效時(shí)析出的相。細(xì)小的析出相產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化，阻止位錯(cuò)的遷移，從而提高合金強(qiáng)度[6]，是提高合金性能的方式之一。在此對(duì)析出相的影響進(jìn)行研究，以評(píng)價(jià)析出相對(duì)測(cè)試精度的影響，進(jìn)一步增加修正模型的精確性。

圖1 析出相試樣拉伸標(biāo)定

1 析出相對(duì)K的影響

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，聲波的散射和吸收會(huì)導(dǎo)致能量衰減，該現(xiàn)象稱為超聲波衰減，它是評(píng)價(jià)材料特性的重要參數(shù)。超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，根據(jù)衰減原因的不同，存在擴(kuò)散衰減、吸收衰減和散射衰減等。

將4組7B05鋁合金母材試樣分別在200℃下保溫 2 h、4 h、6 h、8 h 后，對(duì)試樣進(jìn)行單軸拉伸標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，計(jì)算應(yīng)力常數(shù)K。4組試樣的拉伸標(biāo)定擬合結(jié)果如圖1所示。

通過4組拉伸標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可以看出，在200℃溫度下分別保溫2 h、4 h、6 h、8 h后，應(yīng)力常數(shù)如表1所示。

表1 析出相試樣的應(yīng)力常數(shù)K MPa·ns-1

4條擬合曲線擬合度均較高，確定值R2均在0.98以上，可信度較好。4組拉伸標(biāo)定結(jié)果之間差距不大，比較4組試樣拉伸標(biāo)定的效果，如圖2所示。

為便于比較斜率大小，將4組拉伸標(biāo)定曲線的起點(diǎn)同時(shí)位移至原點(diǎn)處。由圖2可知，經(jīng)過200℃分別保溫不同時(shí)間后，雖然材料的析出相變化明顯，但與母材的測(cè)試結(jié)果K=5.41 MPa/ns相比，其應(yīng)力常數(shù)K基本沒有變化。由此可判定，7B05鋁合金的析出相對(duì)應(yīng)力常數(shù)K基本沒有影響。

圖2 析出相試樣應(yīng)力常數(shù)比較

2 析出相對(duì)t0的影響

為測(cè)試析出相對(duì)超聲衰減、t0的影響，使用自搭建超聲波測(cè)試平臺(tái)采集試樣的超聲波波形。測(cè)試狀態(tài)如圖3所示。

圖3 應(yīng)力測(cè)試狀態(tài)

共采集到4組實(shí)驗(yàn)試樣的超聲波傳播波形如圖4所示。

為計(jì)算t0，截取完整LCR波的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示，添加母材測(cè)試波形數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)信號(hào)，計(jì)算相關(guān)系數(shù)ρxy，并計(jì)算名義t0。4組熱處理試樣的t0結(jié)果如表2所示。

表2 析出相試樣t0測(cè)試結(jié)果ns

為方便比較，加入母材的t0數(shù)據(jù)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。可以看出，4組熱處理實(shí)驗(yàn)的t0均在0 ns的水平，與母材t0非常接近，無(wú)明顯差距。因此，析出相的含量變化并未導(dǎo)致測(cè)試參數(shù)t0發(fā)生明顯變化，析出相對(duì)超聲測(cè)試計(jì)算參數(shù)t0無(wú)明顯影響。

圖4 析出相超聲波波形數(shù)據(jù)

圖5 析出相LCR波數(shù)據(jù)

3 析出相對(duì)超聲衰減的影響

測(cè)算試樣的超聲衰減時(shí)，在測(cè)得波形圖的基礎(chǔ)上，選取LCR波的區(qū)域并將其進(jìn)一步放大，使用標(biāo)尺讀取4組試樣的LCR波波形電壓最大值，如圖6所示。

測(cè)得的電壓幅值數(shù)據(jù)如表3所示，為便于比較，表中加入母材作為參考基準(zhǔn)。

表3 析出相試樣電壓幅值 mV

由表3可知，4組熱處理試樣的超聲衰減值均為0.346 mV，而母材的電壓幅值為0.347 mV，與未經(jīng)處理的母材相比，析出相的含量并未導(dǎo)致超聲衰減發(fā)生明顯變化。由以上數(shù)據(jù)可知，析出相對(duì)超聲衰減基本沒有影響。

圖6 析出相試樣LCR波電壓幅值

4 結(jié)論

以7B05鋁合金的析出相作為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)它對(duì)應(yīng)力測(cè)試參數(shù)K、t0的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在析出相含量有明顯差距的4組試樣中，K、t0、超聲衰減均無(wú)明顯變化。這說明7B05鋁合金材料的析出相對(duì)超聲波測(cè)量殘余應(yīng)力的精確度基本沒有影響。

參考文獻(xiàn)：

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