钢产品无损检测 轴类构件扭转残余应力分布状态超声检测方法 编制说明

《钢产品无损检测轴类构件内部扭转残余应力分布状态超声检测方法》)一、工作简况1、任务来源本项目是依据国家标准化管理委员会国标委综合[2021]28号文“关于下达2021年第三批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知”下达的项目计划，计划号20214299-T-605，项目名称为“钢产品无损检测轴类构件内部扭转残余应力分布状态超声检测方法”。本项目是制定标准项目。主要起草单位:北京理工大学、冶金工业信息标准研究院、北京北方车辆厂、内蒙古第一机械制造厂等，计划完成时间为2023年。2、标准化对象简要情况不均匀温度场、塑性变形、不均匀相变和加工过程都会使轴类构件内部产生和驻留残余应力，尤其是轴类构件从毛胚的锻造成型、车削、磨削、滚压或喷丸、表面淬火的塑性和冷热加工过程，使得传动轴、曲轴、丝杠、转轴和阀芯等轴类构件内部必然会产生和驻留按一定梯度分布的残余应力，残余应力成为轴类构件构件的一个基本物理属性，对全生命周期中的轴类构件扭转强度、加工变形、保形能力及抗疲劳能力有着显著影响和极其重要作用。残余应力是轴类构件中固有的。轴类构件的坯料成型往往采用锻造、拉拔、锻打等，不均匀的外载荷和温度载荷导致构件中包含分布不均匀的残余应力场。曲轴毛坯的初始残余应力分布状态对后续加工变形影响很大，通常曲轴车削的去除量较大，曲轴中台阶、R角变厚度结构多，也是车削过程造成残余应力失去平衡状态的重要部位，通常在沟槽、开孔和台阶过渡R角等变厚度部位容易产生残余应力过渡集中而出现剧烈变形或开裂。而经车削、磨削等去材加工引入的残余应力也会对后续加工变形造成很大影响，直接影响到成品精度和加工效率。残余应力危害存在于轴类构件的全生命周期，随着轴类构件的加工和服役过程，扭转残余应力分布状态是动态的，具有随温度和载荷环境的时变特性，轴类构件在加工及服役过程中容易产生残余应力集中或非平衡状态。残余应力在零件毛胚成型、构件加工、部件装配和产品服役以及维修保障等多个环节中对轴类产品的质量、安全性和可靠性都产生了极其重要的影响；通常，轴向表层方向残余应力不均匀会导致构件弯曲变形和断裂，周向和不同角度旋转方向残余应力不均匀会影响轴类构件的抗扭转强度和疲劳强度、或出现断裂，因此，不同方向的残余应力分布状态会导致轴类构件具有不同形态的变形和断裂，重要的是，拉伸残余应力降低结构强度并促进腐蚀开裂和变形，而且残余应力分布状态随着结构形式、环境温度和外界载荷的变化而重新动态分布的，对轴类构件的服役强度和疲劳寿命有重要影响；因此，无损而准确量化地获得轴类构件内部残余应力梯度分布状态是提高加工精度和保形能力、提高扭转强度和服役疲劳寿命的前提和当务之急。轴类构件扭转残余应力分布的超声无损检测方法具有广泛的应用领域，可为航空发动机主轴、直升飞机齿轮箱传动轴、高铁传动轴和扭杆、车辆扭力轴、汽轮机和水轮机主轴、电机主轴、高精密机床主轴、轴承和阀芯等轴类构件在生产制备和服役使用过程中，提供轴类构件表层内部残余应力梯度分布状态的无损检测与服役性能与可靠性寿命评估，目前该方法已经在多个高端领域的尖端设备上逐渐广泛应用，对相关制造产业的技术水平提升具有积极意义。例如，中国兵器集团616厂的396发动机曲轴、617厂主战坦克综合传递箱体传动轴/扭力轴、618厂装甲运兵车扭力轴，及高铁电机转子主轴(永济电机厂)、铁路货车轮对轮轴(唐山车辆厂、太原铁路局)、水轮机转子转轴(成都国家电力研究院)、航空发动机转子中心轴(黎明航空发动机研究所)等大量轴类零件开始了工程应用和试验研究。项目组标准起草人员紧密联系我国高端领域国家尖端装备研制和生产使用的迫切需求，结合轴类构件扭转残余应力分布无损检测技术发展的成熟度，及时研发了轴类构件扭转残余应力分布状态的超声无损检测方法，经过大量的工程应用和实践，形成了本项技术标准，旨在规范该技术方法的工程应用及检测过程和检测结果的一致性；该标准的实施将促进轴类构件扭转残余应力分布的超声无损检测方法在我国无损检测领域的进一步推广和应用，提高航空、兵器、船舶和车辆、电力和轴承与传动、高端机床领域等制造业精密轴类构件的相关无损检测与质量评估的发展，检测结果可作为反馈信息用于指导制造工艺和设计等，推动相关制造业产业的技术水平，该标准方法的实施将促进更多企业在传动轴、扭力轴和扭杆等构件的无损检测应用。2、主要工作过程起草(草案、调研)阶段:计划下达后，2022年9月1日全国钢标委无损检测分技术委员会分委员会组织各起草单位成立了起草工作组，由北京理工大学为组长单位，负责主要起草工作。工作组对国内外轴类构件产品超声无损检测方法和技术现状与发展情况进行全面调研，同时广泛搜集相关标准和国内外技术资料，进行了大量的研究分析、资料查证工作，结合实际应用经验，进行全面总结和归纳，在此基础上编制出《钢产品无损检测轴类构件扭转残余应力分布状态超声检测方法》标准草案初稿。经工作组及有关专家研讨后，对标准草案初稿进行了认真的修改，于2022年10月形成了标准征求意见稿及其编制说明等相关附件，报全国钢标委无损检测分技术委员会分委员会秘书处。3、主要参加单位和工作组成员及其所做的工作本标准由北京理工大学、冶金工业信息标准研究院、北京北方车辆厂、内蒙古第一机械制造厂、山西柴油机工业有限责任公司、黎明发动机制造技术有限公司、国家能源集团科学技术研究院有限公司、中车永济电机有限公司、中车唐山机车车辆有限公司，济南二机床集团有限公司。主要成员:徐春广、宋文渊、卢钰仁、杨光粲、尹鹏、董莉、薛建忠、李培禄、栗双怡、单志鹏、李宏伟、李文凯、张文君、肖定国、白龙、刘仕渊、李喆、董德秀、邓韬、李阳、刘海宁、孙明学、张云龙、许红红、孙东、李宗强，等。5.方法概要工作分工:徐春广任工作组组长，主持全面协调工作，负责对各阶段标准的审核;卢钰仁为本标准主要执笔人，负责本标准的具体起草与编制;宋文渊、尹鹏、栗双怡负责国内外相关技术文献和资料的收集、分析及资料查证，对产品生产工艺、性能和使用经验进行总结和归纳;卢钰仁、宋文渊负责对国内外产品和技术的现状与发展情况进行全面调研，李培禄负责对各方面的意见及建议进行归纳、整理。冶金工业信息标准研究院董莉和薛建忠负责立项筹备和协调工作，其它参编单位相关人员参加了技术应用和验证工作。二、标准编制原则本标准在制定/修订过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、不断完善”的原则，注重标准修订与技术创新、试验验证、产业推进、应用推广相结合，本着先进性、科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的制定/修订工作。采用国际标准制修订的标准：本标准在起草过程中主要按GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写规则》的要求编写。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑生产企业的能力和用户的利益，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。三、主要内容说明1、标准主要内容制定：按标准章条顺序，逐一说明编制的依据或理由，包括在征求意见、标准审查阶段对技术内容讨论、修改的经过及结论。1.范围：基于前期试验研究及企业需求，本标准规定了轴类零件的残余应力超声无损检测方法。基于声弹性原理可知该方法即可以测量静态残余应力，也使用于服役中的应力检测。2.规范性引用文件：可参照GB/T228.1对超声试验进行拉伸试样制备，GB/T25712与GB/T38811可指导零应力试块的制备，GB/T18852规范了超声探头的选用。残余应力超声检测原理可参照GB/T32073，超声检测设备使用及存放可参照GB/T27664.1。3.术语和定义：GB/T12604.1-2005、GB/T7232-2012界定的术语和定义适用于本标准。4.人员资格：本标准实施检测的人员需通过本标准和轴类构件扭转残余应力梯度超声临界折射纵波无损检测技术的专门培训。(a)探头布置示意图1-超声换能器；2-耦合声楔块；3-被检测轴类构件；4-残余应力检测区域(b)轴类构件扭转残余应力超声检测示意图图1轴类构件扭转残余应力梯度检测示意图依据Snell定律，在被检测轴类构件表层内部产生和接收超声临界折射纵波，检测探头沿着表面与轴心线放置的角度可以为0°、30°、45°、60°、90°或其它角度。轴类构件表层中的轴类构件扭转残余应力影响超声波传播速度，当轴类构件扭转残余应力方向与纵波方向一致时，拉应力使超声波传播速度变慢或传播时间延长，轴类构件压应力使超声波传播速度加快或传播时间缩短。检测到的轴类构件扭转残余应力是表层下内部三维空间区域内的轴类构件残余应力平均值，检测区域为超声波传播的区域，如图1(b)所示。扭转残余应力梯度分布检测原理可参见GB/T32073-2015。为实现对轴类构件扭转残余应力不同深度梯度的残余应力进行准确测量，需要改变临界折射纵波的检测频率，而临界折射纵波在被测介质中的渗透深度与超声换能器激励脉冲频率有关。通过试验研究表明，当间隔一定频率改变激励和接收换能器的中心频率，检测深度发生改变。以通常采用的检测超声换能器中心频率0.1~20MHz为例，临界折射纵波渗透深度与中心频率满足如下关系为：(1)D=Sf-1.07(1)式中：f——超声换能器中心频率(MHz)；S——渗透深度修正系数，无量纲表1高强度钢传动轴扭转残余应力检测频率和检测深度对照表(MHz)20.015.010.07.55.02.50.50.20.10.240.330.500.6852.215.912.3933.0269.326.检测系统构成：检测系统的组成需满足GB/T32073的相关要求，符合超声无损检测标准。7.被检测构件：被测轴类构件表面应满足粗糙度要求，以便于良好的耦合探头进行声波传导。8.检测探头和耦合：检测轴类构件扭转残余应力时，应该使接触面超声探头与被检测轴类构件表面良好贴合。为了达到上述目的，声楔块接触面曲率要与被测轴类构件待测接触面一致，经过耦合剂后，具有良好的耦合状态。9.标定试样与应力系数K：图2基准零应力轴类试块的高能声束制备原理示意图采用GB/T38811所述方法对试样进行高能声束处理，消减标准试样内部的残余应力，当标准试样内部残余应力小于等于试样材料的±1~5%屈服强度时，认为此时方法获得处理后的校准试样内部残余应力值近似认为是零应力。2、主要技术差异本标准与GB/T32073-2015《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》相比，主要修订内容如下:—增加了对探头的形状尺寸进行了示意说明、零应力试块尺寸范围；—补充完善了曲面构件残余应力超声检测的计算公式、原理说明、超声探头布置位置。本标准与GB/T38811-2020《金属材料残余应力声束控制法》相比，主要修订内容如下:—补充完善了基准零应力试样内部残余应力小于等于试样材料的±1~5%屈服强度时，认为此时方法获得处理后的校准试样内部残余应力值近似认为是零应力。四、主要试验(或验证)情况有下列情况之一应提供试验(或验证)报告：表1支撑该标准技术的科研项目序号项目编号项目名称属性时间段12021YFF0600500多维度应力场高准确度定量表征与测量关键技术研究国家科技部重点研发项目2021.01~2023.122基础加强XXX残余应力超声检测与调控理论和方法军科委2020.11~2025.113XXX重点工程XXX系统原理样机研制国家科工局2020.10~2022.12420120341198扭力轴残余应力检测北京北方车辆集团有限公司2015.10-2016.03520110341152盘类零件残余应力检测与消除技术内蒙古第一机械集团有限公司2012.10-2013.116J172012C002残余应力超声法测量方法及校准科工局技术基础2012.01-2014.1272371383700097火炮身管自紧应力测量及校准技术研究中国兵器集团项目2013.01-2016.12820120342006残余应力矢量场的超声无损检测机理研究校基础科研基金2013.03-2014.129512750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