晶粒尺寸影响超声波评价碳钢焊接应力的研究(附件)【字数：13350】
摘 要摘 要Q235钢是工业生产中应用最为广泛的原材料之一。而应力是造成各种金属行业设备出现问题、损坏的很大因素之一。对于焊接件更是如此，焊接后的金属设备在使用过程中的应力大小和种类对设备的使用影响很大。因此对于焊接件的焊缝质量评价的研究就显得尤为重要。超声波法是目前应力评价方法研究领域热点之一，因而本课题以不同应力下不同晶粒尺寸的Q235钢的组织反应为研究对象，探索影响超声波评价应力的因素及其规律。超声波法是基于超声波声弹性效应实现应力评价的一种技术，通过建立应力-信号间时间差关系实现应力的无损评价。基于此，本课题选取Q235钢为材料，对不同晶粒尺寸的试样进行等幅加载拉伸实验，并同时测其超声波信号。计算得到该信号与参考信号的信号时间差和各晶粒尺寸对应的超声波声弹性系数。最终建立了超声波声弹性系数和晶粒尺寸的关系，并结合断口形貌进行了理论分析。并在Q235对接接头中得到了应用验证。结果表明随应力增大，超声波在Q235钢中通过相同距离所需时间逐渐变大，当应力达到一定值时，超声波在Q235钢中通过相同距离所需时间呈不规律变化。与此相似，随应力增大，超声波信号间时间差基本呈线性规律变大，当应力分别达到一定值时，超声波信号间时间差达到最大值，而再随应力的增大，超声波信号间时间差呈不规律变化。随晶粒尺寸增大，Q235钢超声波声弹性系数逐渐减小。分析认为以上结果是由试样微观组织结果引起的，随着应力和晶粒尺寸的增加，超声波信号的畸变增大，因而在传播过程中越不稳定。综合上述分析结果，认为采用本文研究方法可实现不同晶粒尺寸对超声波声弹性系数影响的应力的评价。关键词Q235钢；晶粒尺寸；声弹性；应力评价
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 超声技术评价应力研究现状 1
1.3 超声波信号间时间差计算方法研究现状 5
1.3.1 基于相关分析的时间延迟估计方法 6
1.3.2 基于高阶统计量的时间延迟估计方法 6
1.3.3 基于分数低阶统计量的时间延迟估计方法 6
1.3.4 小波变换计算时间延迟 6
1.3.5 基于时频分析的延迟估计方法 7
1.3.6 阈值法 7
1.4 课题研 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
究内容 7
第二章 实验设备及方法 8
2.1 实验设备 8
2.1.1 CMT5205型静载拉伸实验设备 8
2.1.2 超声波发射接收设备 8
2.1.3 WZS20型双室真空烧结炉 9
2.1.4 材料金相显微镜 9
2.1.5 JSM6480型扫描电子显微镜 10
2.2 实验材料 11
2.3 Q235钢金相试样制备步骤 11
第三章 实验结果及分析 12
3.1 超声波评价应力的声弹性理论 12
3.2 Q235钢试样组织及其力学性能 13
3.3 实验结果及分析 17
3.4 理论分析 23
3.5 本章小结 25
第四章 对接接头应力的超声波评价 26
4.1 对接接头的制备 26
4.2 信号采集 26
4.3 对接接头应力评价结果 27
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪 论
课题研究背景及意义
Q235钢是工业生产中应用最为广泛的原材料之一，而广泛使用的金属材料设备在实际的使用过程中基本上都会承受各种不同的载荷，这必然会引起材料内部应力和组织的微小变化。这些应力是造成各种金属行业设备出现问题、损坏的很大因素之一。对于焊接件更是如此，焊接后的金属设备在使用过程中的应力大小和种类对设备的使用影响很大。因此对于焊接件的焊缝质量评价的研究就显得尤为重要[1]。另一方面应力集中、长时间的载荷会对工件的塑性、冲击韧性、疲劳强度、应力腐蚀等性能产生很大的影响，极大程度得降低材料的性能从而减少工件的寿命甚至损坏工件，因此对金属材料的应力机理的研究是十分必要的。
应力检测的技术自19世纪30年代开始逐渐被各行业使用[2]，并迅速收到各行业的重视，到目前为止已经形成了大约十种应力检测方法。这些方法基本上可以分为两类，分别是具有一定损伤性的机械释放测量法和非破坏性无损伤的物理测量法[37]。其中机械释放测量法包括钻孔法、切割法和切槽法等，这类方法属于破坏性方法，无损伤测量的物理方法包括电阻应变计法、光弹性法、X射线测定法、磁弹性法和超声波法等，这类方法属于无损检测方法。这种方法因为不需要损坏工件就可以使工件的受力和组织状态得到检测，所以受到了各行各业的欢迎并发展迅速。
其中，超声波法检测应力的优点有很多。首先，超声波的穿透能力十分强，它可以穿透厚度为几米的材料；其次，超声波的方向性很好，与几何光波十分相似，所以它拥有反射、透射、折射等特性；第三，对于工件表面、近表面的应力以及其内部的各种应力，声双折射法都能够进行有效检测，材料的单轴应力以及检测材料的平面应力；第四，超声波检测法不但对工件没有伤害，而且对于人体也是安全无害的，所以可以保障检测者的健康；第五，超声波设备仪器简单，其测量速度较快、成本也较低，而且方便的在实验室和野外、现场进行检查。与此相对X射线衍射法、中子衍射法等射线检测和其它无损检测方法，不仅检测设备较为昂贵，而且不免对人体有伤害。有的只能检测表面应力，而不能用于检测内部盈利而且测量误差相对比较大。综上优势使得超声波法检测评价应力的技术有着十分广阔的应用前景。
超声波技术评价应力研究现状
常用的无损检测方法有渗透检测Penetrant Testing(缩写PT)、磁粉检测Magneticparticle Testing(缩写MT)、涡流检测Eddycurrent Testing(缩写ET)、射线检测Radiographic Testing(缩写RT)和超声检测Ultrasonic Testing(缩写UT)五大类。其中只能能够对各自对应的材料进行表面近表面检测的方法是渗透检测、涡流检测和磁粉检测，射线检测和超声检测可对材料的内部组织应力进行检测[8]。此外，还有红外热成像、声发射、声振检测等方法。
超声检测是指利用超声波的传播特性来检测工件的性能的一种检测方法。超声检测所用的超声波是频率大于20kHZ的机械波，发生器产生超声波以后，超声波以一定的角度在一定的位置进入工件，在工件的晶界或者结构、缺陷等处被反射、散射、折射，最终被接收器接收。通过对接收信号的分析，可以相应地检测出裂纹、气孔、未熔合等各类缺陷以及它们的位置。由于超声检测对人体无害的巨大优势，并且兼备检测方便、灵敏度高、能够实时等优点，所以超声检测法已成为目前应用最多的一种无损检测方法。
在碳钢的焊接接头或其他材料的工件中传播时，超声波的速度大，并且对其速度大小的影响相对与其速度来说变化很小。所以这个变化很难得到准确的测量，而且这些测量本身就具有很高的难度和很高的仪器要求。不过有些学者通过对速度测量转换角度，采用对其初始和接收信号的偏移也就是超声波信号时间差进行研究，提出了可以对不同应力对这个信号时间差进行深入的规律研究。这个方法的提出使得超声检测应力机理研究得以落实。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 超声技术评价应力研究现状 1
1.3 超声波信号间时间差计算方法研究现状 5
1.3.1 基于相关分析的时间延迟估计方法 6
1.3.2 基于高阶统计量的时间延迟估计方法 6
1.3.3 基于分数低阶统计量的时间延迟估计方法 6
1.3.4 小波变换计算时间延迟 6
1.3.5 基于时频分析的延迟估计方法 7
1.3.6 阈值法 7
1.4 课题研 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
究内容 7
第二章 实验设备及方法 8
2.1 实验设备 8
2.1.1 CMT5205型静载拉伸实验设备 8
2.1.2 超声波发射接收设备 8
2.1.3 WZS20型双室真空烧结炉 9
2.1.4 材料金相显微镜 9
2.1.5 JSM6480型扫描电子显微镜 10
2.2 实验材料 11
2.3 Q235钢金相试样制备步骤 11
第三章 实验结果及分析 12
3.1 超声波评价应力的声弹性理论 12
3.2 Q235钢试样组织及其力学性能 13
3.3 实验结果及分析 17
3.4 理论分析 23
3.5 本章小结 25
第四章 对接接头应力的超声波评价 26
4.1 对接接头的制备 26
4.2 信号采集 26
4.3 对接接头应力评价结果 27
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪 论
课题研究背景及意义
Q235钢是工业生产中应用最为广泛的原材料之一，而广泛使用的金属材料设备在实际的使用过程中基本上都会承受各种不同的载荷，这必然会引起材料内部应力和组织的微小变化。这些应力是造成各种金属行业设备出现问题、损坏的很大因素之一。对于焊接件更是如此，焊接后的金属设备在使用过程中的应力大小和种类对设备的使用影响很大。因此对于焊接件的焊缝质量评价的研究就显得尤为重要[1]。另一方面应力集中、长时间的载荷会对工件的塑性、冲击韧性、疲劳强度、应力腐蚀等性能产生很大的影响，极大程度得降低材料的性能从而减少工件的寿命甚至损坏工件，因此对金属材料的应力机理的研究是十分必要的。
应力检测的技术自19世纪30年代开始逐渐被各行业使用[2]，并迅速收到各行业的重视，到目前为止已经形成了大约十种应力检测方法。这些方法基本上可以分为两类，分别是具有一定损伤性的机械释放测量法和非破坏性无损伤的物理测量法[37]。其中机械释放测量法包括钻孔法、切割法和切槽法等，这类方法属于破坏性方法，无损伤测量的物理方法包括电阻应变计法、光弹性法、X射线测定法、磁弹性法和超声波法等，这类方法属于无损检测方法。这种方法因为不需要损坏工件就可以使工件的受力和组织状态得到检测，所以受到了各行各业的欢迎并发展迅速。
其中，超声波法检测应力的优点有很多。首先，超声波的穿透能力十分强，它可以穿透厚度为几米的材料；其次，超声波的方向性很好，与几何光波十分相似，所以它拥有反射、透射、折射等特性；第三，对于工件表面、近表面的应力以及其内部的各种应力，声双折射法都能够进行有效检测，材料的单轴应力以及检测材料的平面应力；第四，超声波检测法不但对工件没有伤害，而且对于人体也是安全无害的，所以可以保障检测者的健康；第五，超声波设备仪器简单，其测量速度较快、成本也较低，而且方便的在实验室和野外、现场进行检查。与此相对X射线衍射法、中子衍射法等射线检测和其它无损检测方法，不仅检测设备较为昂贵，而且不免对人体有伤害。有的只能检测表面应力，而不能用于检测内部盈利而且测量误差相对比较大。综上优势使得超声波法检测评价应力的技术有着十分广阔的应用前景。
超声波技术评价应力研究现状
常用的无损检测方法有渗透检测Penetrant Testing(缩写PT)、磁粉检测Magneticparticle Testing(缩写MT)、涡流检测Eddycurrent Testing(缩写ET)、射线检测Radiographic Testing(缩写RT)和超声检测Ultrasonic Testing(缩写UT)五大类。其中只能能够对各自对应的材料进行表面近表面检测的方法是渗透检测、涡流检测和磁粉检测，射线检测和超声检测可对材料的内部组织应力进行检测[8]。此外，还有红外热成像、声发射、声振检测等方法。
超声检测是指利用超声波的传播特性来检测工件的性能的一种检测方法。超声检测所用的超声波是频率大于20kHZ的机械波，发生器产生超声波以后，超声波以一定的角度在一定的位置进入工件，在工件的晶界或者结构、缺陷等处被反射、散射、折射，最终被接收器接收。通过对接收信号的分析，可以相应地检测出裂纹、气孔、未熔合等各类缺陷以及它们的位置。由于超声检测对人体无害的巨大优势，并且兼备检测方便、灵敏度高、能够实时等优点，所以超声检测法已成为目前应用最多的一种无损检测方法。
在碳钢的焊接接头或其他材料的工件中传播时，超声波的速度大，并且对其速度大小的影响相对与其速度来说变化很小。所以这个变化很难得到准确的测量，而且这些测量本身就具有很高的难度和很高的仪器要求。不过有些学者通过对速度测量转换角度，采用对其初始和接收信号的偏移也就是超声波信号时间差进行研究，提出了可以对不同应力对这个信号时间差进行深入的规律研究。这个方法的提出使得超声检测应力机理研究得以落实。
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