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临界折射纵波检测残余应力的关键影响因素研究

【摘要】:残余应力是在没有施加外部载荷(包括重力)或其它应力源(如热梯度)的情况下,存在于材料内部的应力状态。残余应力一方面来源于制造过程,如变形、热处理、制造加工等操作,另一方面来源于构件的使用过程,如接触载荷、冲击载荷和摩擦等,这些过程改变了材料的形状或性能。残余应力对材料和构件的工程性能,特别是疲劳寿命、变形、尺寸稳定性、耐腐蚀性和脆性断裂等有较大的影响。因此,残余应力评估是结构构件设计中必不可少的一个重要环节。临界折射纵波(简称L_(CR)波)是一种在固体表面以下传播的体纵波,由于其对应力敏感而对材料织构不敏感的特性,可用于评估材料内部的残余应力。在残余应力检测过程中,L_(CR)波传播时间的精度受到多种不确定因素的影响,这些因素决定了L_(CR)波检测残余应力的误差。因此,为了进一步提高测量结果的准确性,本文采用理论计算、Comsol仿真和试验验证相结合的方式,针对纵波入射角、换能器的频率和晶片尺寸、换能器间距、环境温度以及耦合状态等关键影响因素开展了相关的研究工作。首先,通过“鲁伯特之泪”这一神奇的物理现象直观形象地诠释了残余应力的产生和危害。在分析残余应力的施力方向、质点的偏振方向和超声波的传播方向三者之间关系的基础上,选择对残余应力敏感性最强的L_(CR)波作为残余应力的检测方法。其次,在声弹性理论分析的基础上,通过公式计算和拉伸机试验两种方式获取了声弹性常数,并采用Comsol Multiphysics有限元软件仿真了L_(CR)波在固体中的传播过程。最后,使用所搭建的L_(CR)波残余应力检测系统,对新、旧钢轨的不同部位(轨头、轨腰和轨底)采用不同频率的换能器(1、2.5和5 MHz)进行了残余应力的检测,并与X射线衍射法的检测结果进行了对比。研究结果可以归结为以下几点:1.提出了当纵波入射角大于第一临界角1度时,L_(CR)波具有最大的振幅,为最佳入射角的选择提供了依据。2.提出了发射换能器与接收换能器之间的距离应尽量避免为回波距离的整数倍,以减少全波列信号中的谐波成分,提高波形信号识别的准确度。3.针对不同频率、不同晶片尺寸的换能器,提出了16度的半扩散角,以保证L_(CR)波声场辐射能量的一致性。4.提出了采用一发双收的换能器检测模式,有效消除了环境温度的影响,提高残余应力检测的精度。5.设计了带N、S极完整磁场回路的L_(CR)波换能器,使换能器与被检测材料之间的耦合状态具有较好的一致性,保证了检测结果的稳定性。6.搭建了L_(CR)波残余应力检测系统,并对新、旧钢轨的不同部位进行了残余应力的检测。根据检测结果和国家标准,只有旧钢轨中编号为5号和7号的样品为不合格品,并通过X射线衍射法验证了该方法的有效性。本文的研究不仅对L_(CR)波残余应力检测精度的提高具有重要的指导意义和参考价值,而且还可以和超声波探伤、力学性能表征相结合,建立超声波与材料的弹性力学、塑性力学以及断裂力学之间的关系模型,为实现超声波对构件疲劳强度、使用寿命的无损评价奠定基础。

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