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

ICS77.040.20

CCSH26

中华人民共和国国家标准

GB/TXXXX—XXXX

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

Metallicmaterials–NondestructiveTesting-Ultrasonictestingmethodfor

distributionoftorsionalresidualstressofshift

（征求意见稿）

××××-××-××发布××××-××-××实施

国家市场监督管理总局

发布

国家标准化管理委员会

GB/TXXXXX—XXXX

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

1.范围

本文件规定了基于超声临界折射纵波（简称临界折射纵波）产生和接收原理的轴类构件扭转残余应

力分布状态无损检测方法。

本文件适用于轴类构件扭转残余应力的无损检测，也适用于外界载荷导致的轴类构件服役应力的无

损检测和监测。

2.规范性引用文件

下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的

修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究

是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。

GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法

GB/T25712振动时效工艺参数选择及效果评定方法

GB/T12604.1无损检测术语超声检测

GB/T18852无损检测超声检验测量接触探头声束特性的参考试块和方法

GB/T32073无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法

GB/T38811金属材料残余应力声束控制法

GB/T27664.1无损检测超声检测设备的性能与检验

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文件。

4.人员资格

按本文件实施检测的人员需通过本文件和轴类构件残余应力超声临界折射纵波无损检测技术的专

门培训。

5.方法概要

5.1检测原理

1

GB/TXXXXX—XXXX

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。如图1所示。依据声弹性原理，轴类构件

表层中的轴类构件残余应力影响超声波传播速度，当轴类构件残余应力方向与纵波方向一致时，轴类构

件拉应力使超声波传播速度变慢或传播时间T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，因此，已知零应力的轴类构件内超声传播时间，就可以根据时间差求出被检测轴类构件

T0T0

中的轴类构件残余应力，数学关系式如下：

2V02V02V0(tt0)

(tt0)(tt0)K(tt0)（1）

D0.96

kskrk(F)

2

是被测轴类构件中残余应力值(MPa)；

是零应力条件下轴类构件中临界折射纵波的传播速度（）；

V0m/s

t

0是零应力条件下轴类构件中临界折射纵波的传播时间（s）；

t是被测轴类构件中临界折射纵波的传播时间（s）；

k是被测轴类构件的声弹性系数（ns/m2）；

s是被测轴类构件中临界折射纵波周向传播的弧长（m）；

r是被测轴类构件中临界折射纵波周向传播的弧长的曲率半径（m）；

是被测轴类构件中临界折射纵波周向传播的弧长所对应的圆心角（rad）；

D是被测轴类构件的直径（m）；

F为超声换能器的中心频率（MHz）；

为渗透深度修正系数，无量纲，与材料有关；

K为应力系数（MPa/ns）。

2

GB/TXXXXX—XXXX

(a)探头布置示意图

（b）轴类构件周向残余应力和轴向残余应力超声检测示意图

标引序号说明：

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。

图1轴类构件残余应力检测示意图

5.2检测频率与轴类构件残余应力检测深度

由于临界折射纵波在轴类构件中的渗透深度与超声换能器激励脉冲频率有关，可以通过改变激发超

声波的频率或波长来改变扭转残余应力的检测深度从而获得轴类构件扭转残余应力的梯度分布，本文件

规定的超声换能器中心频率为0.1～20.0MHz。其对应的检测深度应根据GB/T32073确定。

3

GB/TXXXXX—XXXX

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，临界折射纵波渗透深度与

中心频率满足如下关系为：

-1.07（）

DSf1

式中：

D——渗透深度（mm）；

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

检测频率（MHz）20.015.010.07.55.02.51.00.50.20.1

检测深度（mm）0.30.30.50.71.12.25.912.433.069.3

5.3检测探头尺寸与被检测轴类构件残余应力区域

本文件规定的方法所检测到的轴类构件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。轴类构件残余应力方向与临界折射纵波传

播方向一致，负值残余应力表示轴类构件压应力，正值表示轴类构件拉应力。

6.检测系统构成

轴类构件残余应力检测系统的组成需满足GB/T32073的相关要求。

7.被检测构件

被检测的轴类构件，通常要求构件表面粗糙度小于Ra12μm，以便于良好耦合。被检测轴类构件检

测区域大小应大于等于检测探头尺寸要求的范围，见5.3。

8.检测探头及耦合剂

8.1探头与耦合剂的选取根据GB/T32073确定。

4

GB/TXXXXX—XXXX

8.2构成轴类构件扭转残余应力检测探头的两个超声收发换能器的性能要求一致，同时，检测和标定

用的轴类构件残余应力检测探头应该完全一致。

8.3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。图2为检测某轴类构件残余应力时制作的声楔块，图中其它尺寸需根据探头的尺寸以及实际检测需

要来定。

(a)0°声楔块(b)30°声楔块

(c)45°声楔块(d)60°声楔块

(e)90°声楔块

图2某轴类构件类构件残余应力检测所用声楔块图

8.4检测、应力系数试验和零应力标定过程用的耦合剂要一致。

9.标定试样与应力系数K

9.1基准零应力标准试样

为试验获得公式（1）中的应力系数K和标定残余应力检测系统，要求标定的试样应该与被检测轴

类构件材料的材质和表面粗糙度相同，必要时可采用与曲面构件轴类构件曲率相同的标定试样，标定试

样的形状和尺寸的定义如图3所示，尺寸满足的范围如表2所示。标定时探头的布置方向应按照图1

所示。

5

GB/TXXXXX—XXXX

标定试样结构和尺寸示意图

图3标定试样尺寸（单位：mm，加工误差：±0.1mm）

表2标定试样的尺寸范围(单位mm)

直径a过渡半径r原始标距L0平行长Lc总长度Lt端头直径Bh1h

≥35≥2040～18060～240170～35030～60≥1040～60

零应力试样的材料、轴径或曲率与被测轴类构件相同，其长度依据楔块的长度来确定，一般为楔块

长度的3-4倍。

9.2基准零应力标准试样

基准零应力标准试样一般取被测轴的一部分（长度大于检测探头长度的2-3倍），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。基准零应力轴类试块制备原理如图4所示。

图4基准零应力轴类试块的高能声束制备原理示意图

9.3应力系数的确定

6

GB/TXXXXX—XXXX

对同种材质轴类构件、间距和中心频率固定的探头来讲应力系数是相同的；常温环境（22±2℃）

下，在确定检测探头参数前提下，应力系数可以通过拉伸试验获得，拉伸试样的形廓尺寸、应力状态、

探头的布置方向应与标定时一致应符合标定试样的设计要求（见9.1和9.2），如图3所示；拉伸过程是在

材料弹性范围内进行的，拉伸过程中记录超声应力检测仪测量的声时变化t与拉伸机标准输出的拉伸

应力变化，重复10次以上取平均值，对数据进行线性拟合，得到的直线斜率的倒数即为应力系数K。

或参见GB/T32073。

10.检测流程

10.1构件和检测区域

在轴类构件和检测探头满足环境及条件下，轴类构件扭转残余应力检测区域和方向由用户提出确定，

或由合同双方最终商定。

10.2检测流程

10.2.1确认轴类构件扭转残余应力检测仪工作正常且在有效使用期限范围内。

10.2.2检测前应该制作零应力标定试样（见9.1-9.2），并已通过试验获得应力系数K（见9.3）

10.2.3零应力基准标定，即在无应力或零应力试样上进行检测仪标定，以确定被检测材料轴类构件残

余应力的检测基准值。标定过程中所使用的探头及其布置方向、耦合剂及耦合状态应该与获得应力系数

试验中的一致。

10.2.4检测时的环境温度要求以及温度补偿参照GB/T32073。

10.2.5在轴类构件构件指定位置上放置检测探头，并确保探头表面与被检测构件表面稳固紧密耦合，

耦合接触力大小应保持恒定且与零应力基准标定过程的一致。

10.2.6开始检测。检测过程中应该可以清晰地观察到接收到的超声临界折射纵波。

11.校准

需要定期对轴类构件残余应力检测仪进行校准，包括探头的时频域特性、电特性和声特性，以及检

测仪的超声收发特性、数据采集与时频域特性、温度补偿特性等的校准，检测仪合格有效期最长不超过

一年，参见GB/T27664.1。

12.检测报告

7

GB/TXXXXX—XXXX

在轴类构件残余应力检测过程中，可以手动或自动记录检测结果生成检测报告，报告内容至少应包

括检测单位、人员、日期、检测环境温度、以及轴类构件材质、直径、粗糙度、检测区域大小、位置和

方向、探头中心频率、轴类构件残余应力数值等。

若检测数据出现大于轴类构件屈服强度情况，则应考虑耦合状态是否良好、是否按本文件所述完成

准备工作；如果仍然出现检测数值偏大现象，则需要对检测区域进行缺陷的无损检测。

____________________________

8

GB/TXXXXX—XXXX

前  言

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定

起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国钢铁工业协会提出。

本标准由全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183）提出并归口。

本文件起草单位：

本文件主要起草人：

I

GB/TXXXXX—XXXX

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

1.范围

本文件规定了基于超声临界折射纵波（简称临界折射纵波）产生和接收原理的轴类构件扭转残余应

力分布状态无损检测方法。

本文件适用于轴类构件扭转残余应力的无损检测，也适用于外界载荷导致的轴类构件服役应力的无

损检测和监测。

2.规范性引用文件

下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的

修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究

是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。

GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法

GB/T25712振动时效工艺参数选择及效果评定方法

GB/T12604.1无损检测术语超声检测

GB/T18852无损检测超声检验测量接触探头声束特性的参考试块和方法

GB/T32073无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法

GB/T38811金属材料残余应力声束控制法

GB/T27664.1无损检测超声检测设备的性能与检验

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文件。

4.人员资格

按本文件实施检测的人员需通过本文件和轴类构件残余应力超声临界折射纵波无损检测技术的专

门培训。

5.方法概要

5.1检测原理

1

GB/TXXXXX—XXXX

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。如图1所示。依据声弹性原理，轴类构件

表层中的轴类构件残余应力影响超声波传播速度，当轴类构件残余应力方向与纵波方向一致时，轴类构

件拉应力使超声波传播速度变慢或传播时间T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，因此，已知零应力的轴类构件内超声传播时间，就可以根据时间差求出被检测轴类构件

T0T0

中的轴类构件残余应力，数学关系式如下：

2V02V02V0(tt0)

(tt0)(tt0)K(tt0)（1）

D0.96

kskrk(F)

2

是被测轴类构件中残余应力值(MPa)；

是零应力条件下轴类构件中临界折射纵波的传播速度（）；

V0m/s

t

0是零应力条件下轴类构件中临界折射纵波的传播时间（s）；

t是被测轴类构件中临界折射纵波的传播时间（s）；

k是被测轴类构件的声弹性系数（ns/m2）；

s是被测轴类构件中临界折射纵波周向传播的弧长（m）；

r是被测轴类构件中临界折射纵波周向传播的弧长的曲率半径（m）；

是被测轴类构件中临界折射纵波周向传播的弧长所对应的圆心角（rad）；

D是被测轴类构件的直径（m）；

F为超声换能器的中心频率（MHz）；

为渗透深度修正系数，无量纲，与材料有关；

K为应力系数（MPa/ns）。

2

GB/TXXXXX—XXXX

(a)探头布置示意图

（b）轴类构件周向残余应力和轴向残余应力超声检测示意图

标引序号说明：

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。

图1轴类构件残余应力检测示意图

5.2检测频率与轴类构件残余应力检测深度

由于临界折射纵波在轴类构件中的渗透深度与超声换能器激励脉冲频率有关，可以通过改变激发超

声波的频率或波长来改变扭转残余应力的检测深度从而获得轴类构件扭转残余应力的梯度分布，本文件

规定的超声换能器中心频率为0.1～20.0MHz。其对应的检测深度应根据GB/T32073确定。