鋼產(chǎn)品無損檢測 軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)超聲檢測方法 編制說明

《鋼產(chǎn)品無損檢測軸類構(gòu)件內(nèi)部扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)超聲檢測方法》)一、工作簡況1、任務(wù)來源本項目是依據(jù)國家標準化管理委員會國標委綜合[2021]28號文“關(guān)于下達2021年第三批推薦性國家標準計劃及相關(guān)標準外文版計劃的通知”下達的項目計劃，計劃號20214299-T-605，項目名稱為“鋼產(chǎn)品無損檢測軸類構(gòu)件內(nèi)部扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)超聲檢測方法”。本項目是制定標準項目。主要起草單位:北京理工大學(xué)、冶金工業(yè)信息標準研究院、北京北方車輛廠、內(nèi)蒙古第一機械制造廠等，計劃完成時間為2023年。2、標準化對象簡要情況不均勻溫度場、塑性變形、不均勻相變和加工過程都會使軸類構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生和駐留殘余應(yīng)力，尤其是軸類構(gòu)件從毛胚的鍛造成型、車削、磨削、滾壓或噴丸、表面淬火的塑性和冷熱加工過程，使得傳動軸、曲軸、絲杠、轉(zhuǎn)軸和閥芯等軸類構(gòu)件內(nèi)部必然會產(chǎn)生和駐留按一定梯度分布的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力成為軸類構(gòu)件構(gòu)件的一個基本物理屬性，對全生命周期中的軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)強度、加工變形、保形能力及抗疲勞能力有著顯著影響和極其重要作用。殘余應(yīng)力是軸類構(gòu)件中固有的。軸類構(gòu)件的坯料成型往往采用鍛造、拉拔、鍛打等，不均勻的外載荷和溫度載荷導(dǎo)致構(gòu)件中包含分布不均勻的殘余應(yīng)力場。曲軸毛坯的初始殘余應(yīng)力分布狀態(tài)對后續(xù)加工變形影響很大，通常曲軸車削的去除量較大，曲軸中臺階、R角變厚度結(jié)構(gòu)多，也是車削過程造成殘余應(yīng)力失去平衡狀態(tài)的重要部位，通常在溝槽、開孔和臺階過渡R角等變厚度部位容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力過渡集中而出現(xiàn)劇烈變形或開裂。而經(jīng)車削、磨削等去材加工引入的殘余應(yīng)力也會對后續(xù)加工變形造成很大影響，直接影響到成品精度和加工效率。殘余應(yīng)力危害存在于軸類構(gòu)件的全生命周期，隨著軸類構(gòu)件的加工和服役過程，扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)是動態(tài)的，具有隨溫度和載荷環(huán)境的時變特性，軸類構(gòu)件在加工及服役過程中容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力集中或非平衡狀態(tài)。殘余應(yīng)力在零件毛胚成型、構(gòu)件加工、部件裝配和產(chǎn)品服役以及維修保障等多個環(huán)節(jié)中對軸類產(chǎn)品的質(zhì)量、安全性和可靠性都產(chǎn)生了極其重要的影響；通常，軸向表層方向殘余應(yīng)力不均勻會導(dǎo)致構(gòu)件彎曲變形和斷裂，周向和不同角度旋轉(zhuǎn)方向殘余應(yīng)力不均勻會影響軸類構(gòu)件的抗扭轉(zhuǎn)強度和疲勞強度、或出現(xiàn)斷裂，因此，不同方向的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)會導(dǎo)致軸類構(gòu)件具有不同形態(tài)的變形和斷裂，重要的是，拉伸殘余應(yīng)力降低結(jié)構(gòu)強度并促進腐蝕開裂和變形，而且殘余應(yīng)力分布狀態(tài)隨著結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境溫度和外界載荷的變化而重新動態(tài)分布的，對軸類構(gòu)件的服役強度和疲勞壽命有重要影響；因此，無損而準確量化地獲得軸類構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力梯度分布狀態(tài)是提高加工精度和保形能力、提高扭轉(zhuǎn)強度和服役疲勞壽命的前提和當務(wù)之急。軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布的超聲無損檢測方法具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可為航空發(fā)動機主軸、直升飛機齒輪箱傳動軸、高鐵傳動軸和扭桿、車輛扭力軸、汽輪機和水輪機主軸、電機主軸、高精密機床主軸、軸承和閥芯等軸類構(gòu)件在生產(chǎn)制備和服役使用過程中，提供軸類構(gòu)件表層內(nèi)部殘余應(yīng)力梯度分布狀態(tài)的無損檢測與服役性能與可靠性壽命評估，目前該方法已經(jīng)在多個高端領(lǐng)域的尖端設(shè)備上逐漸廣泛應(yīng)用，對相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平提升具有積極意義。例如，中國兵器集團616廠的396發(fā)動機曲軸、617廠主戰(zhàn)坦克綜合傳遞箱體傳動軸/扭力軸、618廠裝甲運兵車扭力軸，及高鐵電機轉(zhuǎn)子主軸(永濟電機廠)、鐵路貨車輪對輪軸(唐山車輛廠、太原鐵路局)、水輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸(成都國家電力研究院)、航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子中心軸(黎明航空發(fā)動機研究所)等大量軸類零件開始了工程應(yīng)用和試驗研究。項目組標準起草人員緊密聯(lián)系我國高端領(lǐng)域國家尖端裝備研制和生產(chǎn)使用的迫切需求，結(jié)合軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布無損檢測技術(shù)發(fā)展的成熟度，及時研發(fā)了軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的超聲無損檢測方法，經(jīng)過大量的工程應(yīng)用和實踐，形成了本項技術(shù)標準，旨在規(guī)范該技術(shù)方法的工程應(yīng)用及檢測過程和檢測結(jié)果的一致性；該標準的實施將促進軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布的超聲無損檢測方法在我國無損檢測領(lǐng)域的進一步推廣和應(yīng)用，提高航空、兵器、船舶和車輛、電力和軸承與傳動、高端機床領(lǐng)域等制造業(yè)精密軸類構(gòu)件的相關(guān)無損檢測與質(zhì)量評估的發(fā)展，檢測結(jié)果可作為反饋信息用于指導(dǎo)制造工藝和設(shè)計等，推動相關(guān)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，該標準方法的實施將促進更多企業(yè)在傳動軸、扭力軸和扭桿等構(gòu)件的無損檢測應(yīng)用。2、主要工作過程起草(草案、調(diào)研)階段:計劃下達后，2022年9月1日全國鋼標委無損檢測分技術(shù)委員會分委員會組織各起草單位成立了起草工作組，由北京理工大學(xué)為組長單位，負責主要起草工作。工作組對國內(nèi)外軸類構(gòu)件產(chǎn)品超聲無損檢測方法和技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展情況進行全面調(diào)研，同時廣泛搜集相關(guān)標準和國內(nèi)外技術(shù)資料，進行了大量的研究分析、資料查證工作，結(jié)合實際應(yīng)用經(jīng)驗，進行全面總結(jié)和歸納，在此基礎(chǔ)上編制出《鋼產(chǎn)品無損檢測軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)超聲檢測方法》標準草案初稿。經(jīng)工作組及有關(guān)專家研討后，對標準草案初稿進行了認真的修改，于2022年10月形成了標準征求意見稿及其編制說明等相關(guān)附件，報全國鋼標委無損檢測分技術(shù)委員會分委員會秘書處。3、主要參加單位和工作組成員及其所做的工作本標準由北京理工大學(xué)、冶金工業(yè)信息標準研究院、北京北方車輛廠、內(nèi)蒙古第一機械制造廠、山西柴油機工業(yè)有限責任公司、黎明發(fā)動機制造技術(shù)有限公司、國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、中車永濟電機有限公司、中車唐山機車車輛有限公司，濟南二機床集團有限公司。主要成員:徐春廣、宋文淵、盧鈺仁、楊光粲、尹鵬、董莉、薛建忠、李培祿、栗雙怡、單志鵬、李宏偉、李文凱、張文君、肖定國、白龍、劉仕淵、李喆、董德秀、鄧韜、李陽、劉海寧、孫明學(xué)、張云龍、許紅紅、孫東、李宗強，等。5.方法概要工作分工:徐春廣任工作組組長，主持全面協(xié)調(diào)工作，負責對各階段標準的審核;盧鈺仁為本標準主要執(zhí)筆人，負責本標準的具體起草與編制;宋文淵、尹鵬、栗雙怡負責國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻和資料的收集、分析及資料查證，對產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、性能和使用經(jīng)驗進行總結(jié)和歸納;盧鈺仁、宋文淵負責對國內(nèi)外產(chǎn)品和技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展情況進行全面調(diào)研，李培祿負責對各方面的意見及建議進行歸納、整理。冶金工業(yè)信息標準研究院董莉和薛建忠負責立項籌備和協(xié)調(diào)工作，其它參編單位相關(guān)人員參加了技術(shù)應(yīng)用和驗證工作。二、標準編制原則本標準在制定/修訂過程中，遵循“面向市場、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，注重標準修訂與技術(shù)創(chuàng)新、試驗驗證、產(chǎn)業(yè)推進、應(yīng)用推廣相結(jié)合，本著先進性、科學(xué)性、合理性和可操作性以及標準的目標、統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進行本標準的制定/修訂工作。采用國際標準制修訂的標準：本標準在起草過程中主要按GB/T1.1-2009《標準化工作導(dǎo)則第1部分:標準的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》的要求編寫。在確定本標準主要技術(shù)指標時，綜合考慮生產(chǎn)企業(yè)的能力和用戶的利益，尋求最大的經(jīng)濟、社會效益，充分體現(xiàn)了標準在技術(shù)上的先進性和合理性。三、主要內(nèi)容說明1、標準主要內(nèi)容制定：按標準章條順序，逐一說明編制的依據(jù)或理由，包括在征求意見、標準審查階段對技術(shù)內(nèi)容討論、修改的經(jīng)過及結(jié)論。1.范圍：基于前期試驗研究及企業(yè)需求，本標準規(guī)定了軸類零件的殘余應(yīng)力超聲無損檢測方法?；诼晱椥栽砜芍摲椒纯梢詼y量靜態(tài)殘余應(yīng)力，也使用于服役中的應(yīng)力檢測。2.規(guī)范性引用文件：可參照GB/T228.1對超聲試驗進行拉伸試樣制備，GB/T25712與GB/T38811可指導(dǎo)零應(yīng)力試塊的制備，GB/T18852規(guī)范了超聲探頭的選用。殘余應(yīng)力超聲檢測原理可參照GB/T32073，超聲檢測設(shè)備使用及存放可參照GB/T27664.1。3.術(shù)語和定義：GB/T12604.1-2005、GB/T7232-2012界定的術(shù)語和定義適用于本標準。4.人員資格：本標準實施檢測的人員需通過本標準和軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力梯度超聲臨界折射縱波無損檢測技術(shù)的專門培訓(xùn)。(a)探頭布置示意圖1-超聲換能器；2-耦合聲楔塊；3-被檢測軸類構(gòu)件；4-殘余應(yīng)力檢測區(qū)域(b)軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力超聲檢測示意圖圖1軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力梯度檢測示意圖依據(jù)Snell定律，在被檢測軸類構(gòu)件表層內(nèi)部產(chǎn)生和接收超聲臨界折射縱波，檢測探頭沿著表面與軸心線放置的角度可以為0°、30°、45°、60°、90°或其它角度。軸類構(gòu)件表層中的軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力影響超聲波傳播速度，當軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力方向與縱波方向一致時，拉應(yīng)力使超聲波傳播速度變慢或傳播時間延長，軸類構(gòu)件壓應(yīng)力使超聲波傳播速度加快或傳播時間縮短。檢測到的軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力是表層下內(nèi)部三維空間區(qū)域內(nèi)的軸類構(gòu)件殘余應(yīng)力平均值，檢測區(qū)域為超聲波傳播的區(qū)域，如圖1(b)所示。扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力梯度分布檢測原理可參見GB/T32073-2015。為實現(xiàn)對軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力不同深度梯度的殘余應(yīng)力進行準確測量，需要改變臨界折射縱波的檢測頻率，而臨界折射縱波在被測介質(zhì)中的滲透深度與超聲換能器激勵脈沖頻率有關(guān)。通過試驗研究表明，當間隔一定頻率改變激勵和接收換能器的中心頻率，檢測深度發(fā)生改變。以通常采用的檢測超聲換能器中心頻率0.1~20MHz為例，臨界折射縱波滲透深度與中心頻率滿足如下關(guān)系為：(1)D=Sf-1.07(1)式中：f——超聲換能器中心頻率(MHz)；S——滲透深度修正系數(shù)，無量綱表1高強度鋼傳動軸扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力檢測頻率和檢測深度對照表(MHz)20.015.010.07.55.02.50.50.20.10.240.330.500.6852.215.912.3933.0269.326.檢測系統(tǒng)構(gòu)成：檢測系統(tǒng)的組成需滿足GB/T32073的相關(guān)要求，符合超聲無損檢測標準。7.被檢測構(gòu)件：被測軸類構(gòu)件表面應(yīng)滿足粗糙度要求，以便于良好的耦合探頭進行聲波傳導(dǎo)。8.檢測探頭和耦合：檢測軸類構(gòu)件扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力時，應(yīng)該使接觸面超聲探頭與被檢測軸類構(gòu)件表面良好貼合。為了達到上述目的，聲楔塊接觸面曲率要與被測軸類構(gòu)件待測接觸面一致，經(jīng)過耦合劑后，具有良好的耦合狀態(tài)。9.標定試樣與應(yīng)力系數(shù)K：圖2基準零應(yīng)力軸類試塊的高能聲束制備原理示意圖采用GB/T38811所述方法對試樣進行高能聲束處理，消減標準試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力，當標準試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力小于等于試樣材料的±1~5%屈服強度時，認為此時方法獲得處理后的校準試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力值近似認為是零應(yīng)力。2、主要技術(shù)差異本標準與GB/T32073-2015《無損檢測殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法》相比，主要修訂內(nèi)容如下:—增加了對探頭的形狀尺寸進行了示意說明、零應(yīng)力試塊尺寸范圍；—補充完善了曲面構(gòu)件殘余應(yīng)力超聲檢測的計算公式、原理說明、超聲探頭布置位置。本標準與GB/T38811-2020《金屬材料殘余應(yīng)力聲束控制法》相比，主要修訂內(nèi)容如下:—補充完善了基準零應(yīng)力試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力小于等于試樣材料的±1~5%屈服強度時，認為此時方法獲得處理后的校準試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力值近似認為是零應(yīng)力。四、主要試驗(或驗證)情況有下列情況之一應(yīng)提供試驗(或驗證)報告：表1支撐該標準技術(shù)的科研項目序號項目編號項目名稱屬性時間段12021YFF0600500多維度應(yīng)力場高準確度定量表征與測量關(guān)鍵技術(shù)研究國家科技部重點研發(fā)項目2021.01~2023.122基礎(chǔ)加強XXX殘余應(yīng)力超聲檢測與調(diào)控理論和方法軍科委2020.11~2025.113XXX重點工程XXX系統(tǒng)原理樣機研制國家科工局2020.10~2022.12420120341198扭力軸殘余應(yīng)力檢測北京北方車輛集團有限公司2015.10-2016.03520110341152盤類零件殘余應(yīng)力檢測與消除技術(shù)內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司2012.10-2013.116J172012C002殘余應(yīng)力超聲法測量方法及校準科工局技術(shù)基礎(chǔ)2012.01-2014.1272371383700097火炮身管自緊應(yīng)力測量及校準技術(shù)研究中國兵器集團項目2013.01-2016.12820120342006殘余應(yīng)力矢量場的超聲無損檢測機理研究?；A(chǔ)科研基金2013.03-2014.12951275042彈性固體殘余應(yīng)力場的原位聲能控制機理國家自然科學(xué)基金2013.01-2016.1251305028三維殘余應(yīng)力場超聲無損檢測原理和方法國家自然科學(xué)基金2014.01-2016.1220131101120017金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力矢量場的超聲無損檢測機理研究教育部基金項目2014.01-2016.12U1737203航天用弱剛度鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力分布超聲無損檢測與高能聲束原位國家自然基金重點項目2018-2021調(diào)控技術(shù)********構(gòu)件殘余應(yīng)力超聲檢測與控制方法國家重大基礎(chǔ)研究項目2020-20252016YFF0202805電力裝備和工程建設(shè)領(lǐng)域國際標準研究(殘余應(yīng)力檢測技術(shù)的國際標準)國家國際標準化合作項目2016-2019******內(nèi)部殘余應(yīng)力與疲勞狀態(tài)檢測方法研究國家部委預(yù)研項目2016-2020******火炸藥殘余應(yīng)力無損檢測技術(shù)國家部委預(yù)研項目2016-2020201703-120北京新機場鋼構(gòu)焊接殘余應(yīng)力檢測國家重大工程(合作項目)2017-2018201703-89特種車輛扭力軸殘余應(yīng)力檢測與調(diào)控技術(shù)國家型號工程技術(shù)服務(wù)項目2017-2018201703-34西部管道焊接殘余應(yīng)力超聲無損檢測與調(diào)控技術(shù)國家重大工