“ 上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金”项目汇报

1. “上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金”项目汇报“上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金”项目汇报 项目名称：超声应力测量技术研究 项目负责人：华云松 学院：光电学院

2. 一、个人情况简介

3. 二、项目简介 • 项目研究的意义 残余应力是在构件不论是否承受外加载荷的状态下，仍以平衡状态存在于整个构件内部的应力。当构件内部的应力平衡被破坏时，构件会产生宏观的尺寸变化。 产生残余应力的原因主要有以下三个方面：外力和温度变化所引起的不均匀塑性变形；不均匀的温度变化；构件热处理时由于材料组织发生了不均匀相变引起的不均匀体积变化。残余应力按其产生的工艺过程来分，可分为：铸造应力、焊接应力、热处理应力、切削应力、磨削应力、喷丸应力和滚压应力等。 机械零件或大型构件在制造时，各种工艺过程往往都会给它留下残余应力；另有一些制造工艺，例如喷丸、滚压等，本身就是为了给工件增添适当的残余应力。在制造过程中，适当的、分布合理的残余压应力能提高疲劳强度和抗应力腐蚀的能力，从而延长零件和构件的使用寿命；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，导致变形、开裂等失效事故，甚至由此而引发出灾难性的事故。因此，残余应力的测量对于热处理工艺、表面强化处理工艺、消除应力工艺的效果以及废品分析等均具有 非常重要的意义。

4. 残余应力的测量国内外均已开展多年，其测定方法可分为机械测定法和物理测定法。残余应力的测量国内外均已开展多年，其测定方法可分为机械测定法和物理测定法。 机械测定法测定时须将局部分离或分割使应力释放，这就要对工件造成一定损伤甚至破坏，典型的有切槽法和钻孔法，这方面技术成熟，理论完善。其中尤以小直径盲孔法因对工件损伤较小、测量较可靠，已成为现场实测的一种标准试验方法（见ASTM E837-1981）。 物理测定法主要有射线法、磁性法、超声波法，均属于无损检测方法。射线法（见GB7704－1987）理论完善，但因有射线伤害和仅能测定表面应力使其应用受到很大限制；磁性法为根据铁磁体磁饱和过程中应力与磁化曲线之间的变化关系进行测定，在一定范围内适用；超声波法则是无损检测方法中最具发展前景的方法，具有快速、现场实测方便、既能测表面又能测内部残余应力等特点。超声波法虽然具有以上的优点，但在实际使用上，由于超声波的声弹效应是一种弱效应，应力引起的声速变化非常小，要测出这个变化，需要灵敏度和精度非常高的测量技术和仪器设备，所以利用超声波测量应力的发展非常缓慢，工业应用也很少。 本项目针对超声波的声弹效应是一种弱效应的缺点，拟在实验的基础上找到一种能够有效提高测量精度的数据处理方法以及提出一套完整的提高测量精度的超声应力测量规程，这对于加快超声波应力测量方法的实用性研究具有现实意义。

5. 项目研究的内容 • 1、在数据采集速率无法达到测量需要速率的情况下，找到一种能满足使用要求的数据处理方法，实现超声应力的高精度测量。 • 2、对几种不同牌号的钢进行声弹常数的标定。 • 3、在开展超声应力测量的同时，采用成熟的应力测量技术（X射线衍射法或盲孔法）对超声应力测量结果进行比对，作为超声应力测量结果的对比依据。 • 4、在实验的基础上，得出各种影响超声应力测量精度因素的影响规律，制定出可满足测量精度要求的超声应力测量规程。 • 5、对实际使用的钢构件进行超声应力测量。

6. 二、项目简介 • 项目方案 超声应力测量的核心是针对各种影响超声应力测量精度的众多因素，如何实现高精度的超声应力测量。本项目的研究方案如下： 1、对多种数据处理方法进行理论研究，找出两种以上的数据处理方法对超声应力测量数据进行处理，根据处理结果选出两种数据处理方法。 2、在实验的基础上分别完善这两种数据处理方法。 3、分别利用这两种数据处理方法对几种不同牌号的钢进行声弹常数的标定，并对采用不同数据处理方法得到的标定结果进行分析对比。 4、对某牌号的钢材进行超声应力测量，用这两种不同的数据处理方法对采集到的数据分别进行数据处理，最后将处理得到的测量结果与采用成熟的应力测量技术得到的应力值进行比较，确定出其中的一种数据处理方法作为超声应力测量数据处理方法。 5、根据实验得出被测构件诸如材质、表面状态、耦合层厚度、环境温度等影响测量精度的因素对测量结果的影响程度，以及消除或减小这些影响因素的方法，据此，制定出满足测量精度要求的超声应力测量规程。

7. 预期达到目标 • 1、找到一种能满足使用要求的数据处理方法。 • 2、制定出可满足测量精度要求的超声应力测量规程。 • 3、采用1的数据处理方法和2的测量规程，针对常用的钢材（诸如A3，45＃等），在两接收探头与被测件固定时，静态重复性精度≤±10MPa，移动后复位重复性精度≤±20MPa；声弹常数标定时，重复标定时其重复性≤±15MPa（标定时加载范围0－200Mpa）；实际使用时应力测量精度≤±25MPa。

8. 三、项目完成情况 • 分析超过或未达到预定目标的原因 现已基本达到预期完成的3个目标。 ① 找到一种能满足使用要求的数据处理方法。本项目现在采用的同接收探头信号自相关函数法的数据处理方法可满足超声应力测量数据处理的要求。 ② 制定出可满足测量精度要求的超声应力测量规程。本项目在实验的基础上，得出各种影响超声应力测量精度因素的影响规律，制定出了可满足测量精度要求的超声应力测量规程。 ③ 采用1的数据处理方法和2的测量规程，针对常用的钢材（诸如A3，45＃等），在两接收探头与被测件固定时，静态重复性精度≤±10MPa，移动后复位重复性精度≤±20MPa；声弹常数标定时，重复标定时其重复性≤±15MPa（标定时加载范围0－200Mpa）；实际使用时应力测量精度≤±25MPa。通过对5%Cr钢和球墨铸铁进行的声弹常数标定，其重复标定时重复性误差≤±15Mpa。   在前期工作的基础上，已完成论文两篇，其中《冷轧辊超声应力检测实验研究》已投《钢铁》，《超声应力检测技术研究》投稿于“2008远东无损检测新技术论坛” 会议论文。

9. 资助项目经费卡的使用情况 • 1. 超声应力标定装置12000元 • 2. 试样加工费3500元 • 3. 电子元气件1400元 • 在此期间国内外同类研究工作取得的进展，以及今后研究工作的设想 • 在此项目研究期间，未见国外有相关方面的新报导。 • 国内有关方面报导有： • 1. 华中科技大学力学系的何玉明，胡而已，陈炎明，匡健华在2006年第5期的《实验力学》发表了《超声表面波检测金属材料表面应力的实验研究》。该论文属于基金项目：华中科技大学行动计划资助项目。何玉明等人利用微型表面波探头，采用数字相关法计算得出不同应力下的表面波传播时间差，来确定A3钢的表面波传播时间差与应力的关系式。 • 2. 军械工程学院电气工程系无损检测研究所的雷正伟，米东，徐章遂，敦怡分别在2007 年第3期的《固体火箭技术》上发表了《基于小波倒谱模型的滤波处理技术及其在超声应力检测中的应用》，还在2007年第6期的《 仪表技术 》上发表了《超声应力检测中的温度和应变影响分析》。这两篇文章属于：国家自然科学基金资助项目(50475053)。雷正伟等人采用的应力检测试验是利用中心频率为5MHz的纵波探头和2G的高速示波器，采用脉冲回波技术进行检测的，试验的样品为一段标准的钢轨，试验过程中每次采用50次进行平均，以消除随机干扰。

10. 3. 浙江师范大学交通学院的虞付进，虞先晓，浙江工业大学机电工程学院的赵燕伟，在2007年第4期的《 机械设计与研究 》上发表了《超声应力检测中应力常数的标定试验研究》。该论文属于基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(Y106187)和浙江省科技计划资助项目(2006C31053)。虞付进等人利用“一发两收”的临界折射纵波探头，在应力常数标定系统上对待标定试样施加载荷，测定两接收探头由于载荷变化引起的声时差变化，来确定出材料的应力常数。 今后研究工作的设想：在已完成预期目标的基础上，从超声探头、应力测量规程 和数据处理方面入手，进一步提高整个检测系统的检测稳定性和可靠性，使之变成一种可实用化的检测手段，应用于需要定量检测应力分布的场合。

11. 四、研究成果简介 • 成果主要内容、水平、科学意义和应用价值 1、在数据采集速率无法达到测量需要速率的情况下，找到一种能满足使用要求的数据处理方法，实现超声应力的高精度测量。本项目采用同接收探头信号自相关函数法的数据处理方法处理得到结果的重复性优于国外同样采用临界折射纵波进行应力测量的相关报导。在测量硬件精度无法达到使用要求的情况下，采用软件处理方法实现高精度的测量，是实现超声应力测量的关键，其实际应用的价值也是显而易见的。 2、对几种不同牌号的钢进行声弹常数的标定。从实际标定的结果来看其重复性和线性度均可满足实际使用要求，说明超声应力测量方法具有实际应用价值。 3、在开展超声应力测量的同时，采用成熟的应力测量技术（X射线衍射法或盲孔法）对超声应力测量结果进行比对，作为超声应力测量结果的对比依据。采用成熟的有相关国际与国家标准的检测方法对采用没有标准的超声应力测量结果进行比对，对于确定超声应力测量结果的正确性与可靠性具有现实意义。通过对这三种测量方法实际检测结果的对比来看，在特定的材料和特定的检测表面状态下超声应力测量具有实用性。

12. 4、在实验的基础上，得出各种影响超声应力测量精度因素的影响规律，制定出可满足测量精度要求的超声应力测量规程。应力测量规程也是实现超声应力测量的一项关键技术，它是保证正确进行测量的前提条件。通过实际使用，本项目制定的应力测量规程基本可满足现场使用。 5、对实际使用的钢构件进行超声应力测量。其意义在于确定该方法是否具有实用性，能否用于实际测量。

13. 五、项目资助期间完成的论著、研究成果目录

14. 六、经验与收获 • 通过大量实验及理论的研究，更加丰富了实际经验，同时也深入了对理论的研究。 • 在理论与实践相结合的基础上，期望能将其产品化。

15. 七、自我评价 • 在课题实施的过程中，从始至终按计划脚踏实地进行理论和实践研究，认真刻苦，虚心向有经验的老中年教师请教，不断总结课题中的经验，为下一步科研打下了雄厚的基础。

16. 八、其他