殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測技術(shù)

劉 佳 秦世斌

（中原科技學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州450000）

殘余應(yīng)力是決定一種物質(zhì)性能的主要力學(xué)特征參數(shù)之一，當一種物質(zhì)在制造或者生產(chǎn)過程中受到某種外界因素作用和影響在物質(zhì)內(nèi)部形成的一種應(yīng)力，該應(yīng)力不會因為影響因素的消失而在物質(zhì)內(nèi)部消散，而是以平衡的形式存在物質(zhì)內(nèi)部。具有殘余應(yīng)力的機械材料力學(xué)性能會與普通機械性能有所不同，在機械材料生產(chǎn)和制造過程中，由于使用不同的生產(chǎn)工藝，機械材料中的殘余應(yīng)力也有所不同，這也就導(dǎo)致每種機械材料都有著不同的力學(xué)性能，尤其是疲勞耐久性。大部分機械材料都存在殘余應(yīng)力，這為機械材料疲勞耐久性檢測提高了難度，傳統(tǒng)檢測技術(shù)應(yīng)用過程比較復(fù)雜，需要通過大量的測試來完成，導(dǎo)致傳統(tǒng)檢測技術(shù)成本較高，已經(jīng)無法滿足殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測需求，為此提出殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測技術(shù)研究。

1 殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測現(xiàn)狀

目前用于殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測的技術(shù)主要有人工測試、荷載實驗分析判斷等，這兩種傳統(tǒng)技術(shù)主要是對殘余應(yīng)力的機械材料進行反復(fù)的測試及荷載實驗，需要對每次測試和實驗數(shù)據(jù)進行記錄和分析，根據(jù)測試和實驗結(jié)果確定殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性能[1]。傳統(tǒng)技術(shù)在實際操作過程中需要準備大量的測試材料和實驗材料，并且還需要花費大量的人力資源，不僅檢測效率比較低，而且檢測成本還比較高。此外，在檢測過程中還會對殘余應(yīng)力的機械材料造成一定的損壞[2]。隨著無損檢測技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測技術(shù)智能化和數(shù)字化程度較低，已經(jīng)無法滿足殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測技術(shù)要求，急需要對傳統(tǒng)技術(shù)進行改良和創(chuàng)新，提高殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測精度，降低其檢測成本。

2 機械材料疲勞耐久性檢測

2.1 機械材料殘余應(yīng)力數(shù)值模擬分析

對于殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測，首先需要確定機械材料中的殘余應(yīng)力大小，該參數(shù)值直接關(guān)系到機械材料疲勞耐久性能。為了保證計算精度，本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對機械材料中殘余應(yīng)力進行分析，選取JKDR 軟件作為數(shù)值模擬分析軟件，在該軟件中建立機械材料數(shù)學(xué)模型，并且將機械材料各個參數(shù)輸入到數(shù)學(xué)模型中，根據(jù)物質(zhì)諧振頻率與應(yīng)變的關(guān)系確定機械材料殘余應(yīng)力大小。在JKDR 軟件中打開諧振頻率與應(yīng)變關(guān)系式，如下所示。

公式（1）中，w 為機械材料諧振角頻率；er 為機械材料陣型階數(shù)；p 為機械材料彈性模量；f 為機械材料長度；β 為機械材料密度；A 為機械材料的截面積；α 為機械材料的殘余應(yīng)力[3]。將機械材料的各項數(shù)據(jù)輸入到公式（1）中，根據(jù)諧振頻率與殘余應(yīng)力的關(guān)系計算出機械材料的殘余應(yīng)力數(shù)值。

2.2 殘余應(yīng)力的機械材料超聲波掃描

由于機械材料是由金屬材料制作而成的彈塑性材料，材料的彈性性能與超聲波傳播速度有著較大的關(guān)系，且機械材料彈性模量和力學(xué)性能也具有著密切的關(guān)系，因此在分析完機械材料的殘余應(yīng)力后，本文利用超聲脈沖法對殘余應(yīng)力的機械材料測量。超聲脈沖法對殘余應(yīng)力的機械材料測量主要是利用超聲設(shè)備向機械材料表面發(fā)射超聲波，對殘余應(yīng)力的機械材料進行超聲波掃描，再利用接收設(shè)備接收到殘余應(yīng)力的機械材料反射回來的超聲波，通過對超聲波波速、振幅、頻率分析，確定殘余應(yīng)力的機械材料強度，強度是評價殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性主要指標，為最終的殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測評定提供數(shù)據(jù)依據(jù)，其具體掃描測量如下。

本文根據(jù)殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測需求，選擇BN10 型號超聲儀作為殘余應(yīng)力的機械材料掃描設(shè)備（如圖1 所示），該設(shè)備測量精度高，且測量效率比較快，能夠準確接收到殘余應(yīng)力的機械材料反射回來的超聲波信號[4]。

圖1 BN10 型超聲掃描設(shè)備

將超聲波信號發(fā)射裝置放置在待測量機械材料上方，利用支架將其固定住；將超聲波信號接收裝置放置在待測機械材一側(cè)。當信號發(fā)射裝置向殘余應(yīng)力的機械材料表面發(fā)射超聲波信號，信號通過機械材料，再返回到信號接收裝置，利用HUU5858傳感器接收到超聲波發(fā)射時間、接收時間、傳播速度等數(shù)據(jù)，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)計算出殘余應(yīng)力的機械材料強度，其計算公式如下所示。

公式（2）中，S 表示為殘余應(yīng)力的機械材料強度；E 表示為超聲波在殘余應(yīng)力的機械材料中的傳播速度；y 表示為殘余應(yīng)力的機械材料彈性模量；r 表示為殘余應(yīng)力的機械材料泊松比；t表示超聲波在殘余應(yīng)力的機械材料中停留時間；z 表示為殘余應(yīng)力的機械材料容重[5]。利用上述公式計算出殘余應(yīng)力的機械材料強度，用于殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測評定。

2.3 殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測評定

首先對殘余應(yīng)力和強度兩個評定指標進行權(quán)重計算。以W表示殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測評定指標權(quán)重，結(jié)合兩個指標實際值對殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性進行綜合檢測評定，其公式如下。

公式（3）中，P 表示殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測評定數(shù)值。該數(shù)值在0-1 之間，數(shù)值越接近1 則表示疲勞耐久性能越好；反之則表示疲勞耐久性能越差，以此完成殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測[6]。

3 實驗論證分析

實驗選取五種殘余應(yīng)力的機械材料為實驗對象，實驗利用本文設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對該五種機械材料疲勞耐久性進行檢測，實驗中超聲掃描儀參數(shù)設(shè)定如下：掃描頻率設(shè)定為2.66Hz，掃描時間為0.56s，掃描周期為5.5s，掃描范圍設(shè)定為1.5m。實驗利用超聲掃描儀測量到的機械材料強度分別為4.53MPa、5.42 MPa、3.16 MPa、8.43 MPa、2.42 MPa，根據(jù)掃描結(jié)果確定機械材料疲勞耐久性檢測結(jié)果依次為一般、良好、良好、良好、較差。實驗從兩種技術(shù)檢測開始計時，一直到檢測結(jié)束之后，記錄兩種檢測技術(shù)耗時，實驗將其作為兩種技術(shù)對比分析參考數(shù)據(jù)，如下表所示。

表1 殘余應(yīng)力的機械材料規(guī)格表

實驗利用本文設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對該五種機械材料疲勞耐久性進行檢測，實驗中超聲掃描儀參數(shù)設(shè)定如下：掃描頻率設(shè)定為2.66Hz，掃描時間為0.56s，掃描周期為5.5s，掃描范圍設(shè)定為1.5m。實驗利用超聲掃描儀測量到的機械材料強度分別為4.53MPa、5.42 MPa、3.16 MPa、8.43 MPa、2.42 MPa，根據(jù)掃描結(jié)果確定機械材料疲勞耐久性檢測結(jié)果依次為一般、良好、良好、良好、較差。實驗從兩種技術(shù)檢測開始計時，一直到檢測結(jié)束之后，記錄兩種檢測技術(shù)耗時，實驗將其作為兩種技術(shù)對比分析參考數(shù)據(jù)，如下表所示。

表2 兩種技術(shù)耗時對比（min）

從上述數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計技術(shù)可以快速完成殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測，檢測耗時時間較短，在該方面遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，因此實驗證明了設(shè)計技術(shù)可以滿足殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測需求。

結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)技術(shù)缺點，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)與超聲脈沖法設(shè)計了一套新的殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測技術(shù)，有效提高了檢測效率，可以超快完成殘余應(yīng)力的機械材料疲勞耐久性檢測，具有一定的推廣價值。