（材料加工工程专业论文）轧辊超声波应力测量技术研究.pdf

摘要 摘要 轧辊是轧制用的重要工具，也是轧制生产中最主要的消耗备件之一，其使用性 能直接影响生产的安全、效率和成本以及产品质量。轧辊内部不均匀分布的残余应 力是造成轧辊异常失效的原因之一，因此，定量无损测量出轧辊内残余应力的分布 状态对指导轧辊使用非常重要。本文在对现有的各种残余应力测量方法进行分析比 较的基础上，提出采用基于临界折射纵波的超声波应力测量技术对现场轧辊进行应 力测量的方法。 对超声波临界折射纵波的产生机理和特性进行了理论研究，在此基础上对基于 临界折射纵波的超声波应力测量的基本原理进行了系统的研究，并推导出应力改变 量与应力常数和声时差之间的关系，同时对影响超声波应力测量精度的材料织构、 组织、温度、工件表面状态、耦合剂和耦合位置等影响因素分别进行了分析。 建立了一套采用“一发两收”模式的基于临晃折射纵波的超声波应力测量系统 用于轧辊表面残余应力的测量和分析。开发了一套超声波应力测量分析软件，对应 力常数进行标定以及对轧辊表面残余应力测量结果进行分析与比较。 研制一套超声应力常数的标定装置，对不同材质的材料进行应力常数标定。对 5 c r 钢和球墨铸铁二种材料的应力常数进行了测定。临界折射纵波在每种材料中 传播速度的变化量与材料中应力的改变量具有线性关系，但不同材料的应力常数存 在一定的差别。 对5 c r 圆板以及球墨铸铁和5 c r 标定板进行超声波应力测量的同时，采用 x 射线衍射法和盲孔法这两种成熟的应力测量技术进行应力测量，并对这三种测量 方法得到的结果进行了比较，认为基于临界折射纵波的超声波应力测量法可用于进 行应力测量。 研制了可供现场轧辊进行应力测量的超声波探头装置。该装置与超声波应力测 量系统配套使用，对宝钢现场使用的轧辊进行了残余应力测量，得到了较为理想的 应力测量结果。 关键词：轧辊；超声波应力测量；临界折射纵波；应力常数 x 射线衍射；法盲孔法 上海交通大学博士后研究工作报告 a b s t r a c t t h er o l l si sn o to n l yt h ei m p o r t a n tr o l l i n gt o o lb u ta l s oo n eo ft h em o s tm a j o r c o n s u m a b l es p a r ep a r t si nt h er o l l i n gp r o d u c t i o n ，a n dt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c s i n f l u e n c et h es a f e t y ，e f f i c i e n c ya n dc o s to f p r o d u c t i o na n dq u a l i t yo f p r o d u c td i r e c t l y t h e a s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s si nt h er o l l e ri so n eo ft h ef a c t o r si n d u c e d p r e m a t u r e l yf a i l u r e s t h e r e f o r ei t i sv e r yi m p o r t a n tf o rg u i d i n gt h er o l l e ru s a g et o m e a s u r et h ed i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s sn o n d e s t r u c t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y i nt h i s p a p e r , c o m p a r e da n da n a l y z e dw i t ht h ee x i s t i n gr e s i d u a ls t r e s sm e a s u r i n gt e c h n i q u e s ，a n u l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h ec r i t i c a lr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a l ( l c r ) w a v ei sp u tf o r w a r da n du s e dt om e a s u r et h es t r e s so f t h ef i e l dr o l l e r t h em e c h a n i s mo fp r o d u c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i st e c h n i q u ew a ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y t h e nt h ef u n d a m e n t a lo ft h i st e c h n i q u ew a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h e v a r i a t i o no fs t r e s s ，t h es t r e s sc o n s t a n ta n dt h ev a r i a t i o no f u l t r a s o n i ct r a v e lt i m ew a sd e d u c e d f a c t o r si n f l u e n c e du l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r e m e n t a c c u r a c yw e r ea n a l y z e d ，m a i n l yi n c l u d i n gm a t e r i a lt e x t u r e ，m a t e r i a lo r g a n i z a t i o n ， t e m p e r a t u r e ，s u r f a c es t a t eo f w o r kp i e c e ，c o u p l a n ta n dp l a c eo f c o u p l i n g a nu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h el c rw a v e ，w h i c ha d o p tt h e m o d eo f “o n es e n d i n ga n d t w or e c e i v i n g ”，w a ss e tu pt om e a s u r ea n da n a l y z et h er e s i d u a l s t r e s so ft h er o l l e rs u r f a c e t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt oc a l i b r a t es t r e s s c o n s t a n t sa n dt oa n a l y z ea n dc o n t r a s tm e a s u r i n gr e s u l t so nt h er e s i d u a ls t r e s so ft h er o l l e r s u r f a c e as e to fa r r a n g e m e n tc a l i b r a t i n gu l t r a s o n i cs t r e s sc o n s t a n t su s e dt oc a l i b r a t et h e s t r e s sc o n s t a n t so fr o l l e r sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l sw a sd e v e l o p e d t h es t r e s sc o n s t a n to f t w ok i n d so fm a t e r i a l ，s p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o na n ds t e e l5 c r w a st e s t e dr e s p e c t i v e l y t h ev e l o c i t yo ft h el c rw a v et r a v e l i n gi ne a c hm a t e r i a lh a dal i n e a rr e l a t i o n s h i p c o r r e s p o n dt ot h es t r e s s b u tt h es t r e s sc o n s t a n t so fd i f f e r e n tm a t e r i a lp r e s e n ts o m e d i f f e r e n c e s t h es t r e s so fc i r c u l a rf l a t - p l a t e5 c r s p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o na n dc a l i b r a t i n gp l a t e 5 cr w a st e s t e dw i t ht h eu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r e m e n tm e t h o da n do t h e rt w om a t u r e m e t h o d s ( i e x r a yd i f f r a c t i o nm e t h o da n dp i nh o l em e t h o d ) r e s p e c t i v e l y c o n t r a s t e d t h r e em e a s u r i n gr e s u l t s ，i ts h o w st h eu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gm e t h o db a s e do nt h e c r i f i c a lr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v ec a nb eu s e dt om e a s u r et h es t r e s so f r o l l e r a b s t r a c t a nu l t r a s o n i cp r o b ea r r a n g e m e n tt om e a s u r et h es t r e s so ff i l e dr o l l e rw a s d e v e l o p e d a n du s e dw i t ht h eu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gs y s t e m t h er e s i d u a ls t r e s so fr o l l sw h i c h u s e di nb a o s t e e lw a sm e a s u r e da n dt h er e s u l t sw e r er e l i a b l e k e yw o r d s ：r o l l s ；u l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gm e t h o d ；c r i t i c a lr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a l w a v e ；s t r e s sc o n s t a n t ；x - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d ；p i nh o l em e t h o d i i i 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 第1 章绪论 轧钢是钢铁工业中的一个重要的工艺过程，大多数的钢材都要经过轧制才能成 为产品。轧辊作为轧钢生产的关键工具，必须能够承受相当强烈的力与热的作用。 轧辊的耐磨性及抗断裂性能等，是衡量轧辊使用性能的重要指标，这不仅因为轧辊 与产品的成本密切相关，而且直接决定轧后产品质量，尤其是其表面质量和板形。 一般她，在整个轧钢过程中，轧辊的消耗占轧制产品成本的5 1 5 蟛”。 轧辊必须承受使带材变形所需的巨大压缩和剪切应力而自身却不产生塑性变 形。轧辊在轧制过程中承受着由金属变形抗力而引起的交变应力的作用，并处在剧 烈的磨损状况下，受周期性变化的热应力的作用，因而要求轧辊具有较高的强度和 耐磨损性能，同时在轧制过程中轧辊的弹性变形及其形位误差，也将直接影响轧制 精度 2 】。 残余应力是在没有外力作用下仍以平衡状态存在于物体内部的应力，轧辊中不 可避免地存在着残余应力 3 。轧辊内部的应力按其成因可分为三种：第一种是残余 应力，来源于轧辊的制造工艺过程，特别是那些与辊面硬化有关的工艺方法：第二 种是热应力，是由于轧辊内存在的温度差引起的；第三种是工作应力，是外力施加 在轧辊产生的结果。在任何给定的条件下，存在于轧辊内部的应力都是这三种应力 的组合。 轧辊中的应力主要取决于轧辊的生产加工过程以及轧辊的使用过程。轧辊在铸 造、锻造以及热处理过程中不可避免地要产生残余应力，这是由于轧辊表面先冷却 而对芯部的冷却收缩产生阻碍作用，因此芯部产生了残余拉伸应力，而表面产生了 残余压缩应力以与芯部的残余拉伸应力相平衡。轧辊在淬火过程中组织发生了相变， 组织由奥氏体向马氏体转变，由于不均匀的体积变化导致在轧辊中产生高的残余应 力。轧辊在加工和使用过程中有很多因素会影响它的机械应力【4 】；轧辊在工作过程 中的加热和冷却循环也会产生相当大的热应力，因此，轧辊内的机械应力和热应力 都非常大，这也是难于从理论上预测轧辊中残余应力变化规律的原因。 轧辊内部的应力不仅对其使用寿命有影响，而且还直接影响着轧机的稳定性以 及产品的质量。轧辊在使用前和使用过程中发生的失效大多与应力过高有关。在某 些场合下，因轧制力或辊间压力引起的反复应力变化将导致轧辊的疲劳破坏；同时 轧辊表面过高的应力也会导致轧辊磨损过甚以及使辊面粗糙度发生变化。轧辊内部 应力对轧机操作和所轧带材质量的影响，来源于残余应力分布状态发生变化所引起 上海交通大学博士后研究工作报告 的轧辊的应变或变形。应力是引起轧辊失效的主要原因，典型的轧辊失效形式有剥 落、裂纹和断辊等。轧辊失效一方面增加了辊耗，另一方面占用大量的停机换辊时 间，从而制约了轧机实现高速、大负荷轧制以及增加产量的要求。为满足生产的要 求，有必要开展防止轧辊失效方面的研究，这可从轧辊失效原因分析以及改善轧辊 性能方面入手。研究表明一些轧辊失效的原因是在轧制过程中轧辊表面由于经受热 冲击和擦伤，在轧辊表面和次表面产生了微裂纹，这些裂纹没有不及时磨掉，导致 了轧辊剥落的发生。既然某些轧辊失效起源于轧辊表面和次表面，就可在轧辊表面 增加裂纹产生和扩展的阻力，从而减少轧辊失效发生的可能性。辊面残余应力分布 状态是影响轧辊表面性能的一个重要因素，合理分布的表面压缩残余应力会大大减 小裂纹产生和扩展的趋势，但太高的表面压缩残余应力则会使与之相平衡的轧辊芯 部残余拉伸应力也太大，可能导致轧辊芯部的断裂，这一点对复合铸造轧辊是非常 重要的 5 1 。 在轧制过程中，辊面承受很高的接触压力，表面的疲劳损伤将导致微裂纹的产 生，从而降低轧辊的寿命和导致表面剥落，这时只有重新修磨掉辊面表层的损伤， 才能有效地提高轧辊的使用寿命和防止剥落的发生。 为了保证轧辊的使用状态，通常对辊面裂纹的检测来确定轧辊的重磨时间和重 磨量，但几乎没有对轧辊中残余应力状况进行检测来确定轧辊重磨时间和重磨量的 厂家，这可能是现场测试残余应力具有一定的难度所致。 如何提高轧辊生产质量和使用寿命，降低辊耗，是近年来冶金行业研究的重要 课题。轧辊表面及皮下微裂纹的形成和扩展是导致轧辊失效的主要原因。轧辊表面 残余应力的分布状态，又直接影响着轧辊表面及皮下微裂纹的形成和出现部位。因 此，开展对轧辊中残余应力的大小和分布以及在使用过程中残余应力的变化方面的 研究，可以大大降低轧辊失效行为的发生，这对于延长轧辊使用寿命，提高生产率 和产品质量具有重要意义。 1 2 残余应力测量研究现状 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 3 ，7 ，8 1 。 1 2 1 机械测定法 机械测定法主要有机械释放法、硬度法、冲击压痕法、云纹干涉法。 机械释放法【9 - 1 2 1 目前用得最多的是钻孔法( 盲孔法) ，其次还有针对一定对象的 环芯法。机械释放法的具体做法是在平衡状态下的原始应力场上利用机械方法，使 金属内的应力得到释放，通过测定由此引起的位移或应变来确定待测构件的原应力 2 第1 苹绪论 场的应力值。机械释放法测定残余应力的优点是：现有技术成熟，理论完善，其中 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a n s i a s t me 8 3 7 2 0 0 1 ) 。其缺点是：在进行残余应力测定时，会对被测构 件造成一定的损伤，故在实际应用中对某些关键部件常难以采用：再者采用该方法 进行测定时，由于需要粘贴专用箔式应变计和利用钻孔装置( 或回转喷砂打孔装置) 对被测构件打孔，操作繁琐而费时。 硬度法 1 3 , 1 4 是基于应力将改变物体硬度的原理实现的。该方法是根据固定载荷 作用下残余应力状态与压痕直径之间具有的特定关系拉应力使硬度值下降，压 应力使硬度值升高，即残余应力与洛氏硬度间近似呈反比的关系，来确定被测构件 的残余应力分布。硬度法的优点是：破坏性小，测量迅速、方便。缺点是：其测量 精度很大程度上依赖于压痕直径的测量；另外，被测构件的塑性变形历史、材料的 不均匀性及其表面状态等不确定因素均会对测量结果造成影响。 冲击压痕法 15 。1 7 】是近几年出现的一种新型残余应力测量方法，该方法是在硬度 法的基础上发展出来的，其具体做法和应力释放法相反，它是通过叠加一个附加应 力场，根据叠加应力场引起的应变叠加增量计算原始残余应力。该方法的优点是： 与钻孔法( 盲孔法) 相比由于不需对被测构件打孔，操作起来相对要简单一些；另 外冲击压痕的直径和深度一般在1 2 m m x0 2 r a m 左右，对被测构件的表面破坏也较 小。其缺点是：冲击压痕法要对被测构件粘贴专用箔式应变计，操作上也较为复杂； 再有采用该方法时由于在压痕周围会产生范围不确定的塑性区，压痕产生的塑性区 进入应变敏感元件的测试区，将对测量结果产生重大影响，但若应变敏感元件的测 试区过分远离压痕塑性区边缘，又将导致测量精度的大幅下降。 云纹干涉及其相关技术测定残余应力是利用测定构件表面的位移和变形来进行 的，在测定时必须使构件内的应力释放才能利用该技术，因此也属于破坏性的方法。 1 2 2 物理测定法 物理测定法主要有x 射线衍射法、中子衍射法、扫描电子声显微镜、磁弹性法、 超声波法，这些方法均属于无损测量方法。 1 2 2 1x 射线衍射法 x 射线衍射法 1 8 - 2 0 1 依据x 射线衍射原理( 即布拉格定律) ，把宏观上可以准确 测定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关系，这样材料中的应力所对应的弹 性应变必然可表征为晶面间距的相对变化。当材料中有应力a 存在时，其晶面间距 d 必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2 e 也会 相应改变。因此有可能通过测量衍射角2 e 随晶面取向不同而发生的变化来求出应力 上海交通大学博士后研究工作报告 o 。该方法可测定出宏观残余应力，是一种现有技术成熟、理论完善的现场实测用 标准试验方法( 见g b 7 7 0 4 - - 1 9 8 7 和a n s i j a s t m e l 4 2 6 1 9 9 4 ) 。它的缺点是：由于 x 射线的穿透力有限，测定的表面层深度仅为1 0 3 51 tm ，再者对被测定构件的表 面状况有较严格的要求，测定时也要格外小心谨慎，否则都可能给测定结果带来较 大的测量误差。 1 2 2 2 中子衍射法 中子衍射法 2o 】主要是利用材料晶格常数的变化来推算出物体的应力状态。该方 法是一种可以直接获得构件内部残余应力的无损测量方法，但是，被测物体要根据 中子源仪器的状况而受到一定限制。由于每次必须测得在自由状态下的晶体晶格原 子面间距或掠射角( 也称作布拉格角) ，因此，在实际结构中的直接应用存在许多困 难。但是，对于实验用小试样或教学用的实物模型，用中予法测量残余应力不失为 一种有效的手段。同时中子法测量残余应力还可以避免织构的影响。 1 2 2 t 3 扫描电子声显微镜 扫描电子声显微镜 2 t - 2 2 ( s e a m ) 适合对不透明材料中的残余应力进行无损测 定，与x 射线衍射技术相比，它的穿透能力较强，可用于无损定征构件亚表面残余 应力，由于该方法分层成像能力独特，可揭示出残余应力在深度方向的分布状况， 使得测定残余应力的三维分布成为可能。该技术采用热波成像原理，利用热波在试 样中的传播对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像，它能反映出光学和电子显 微镜不能反映的材料表面及亚表面特征。扫描电子声显微镜虽然可以对金属材料中 由塑性变形引起的残余应力分布进行观察，但由于从电子声信号的产生到接收是 个复杂的物理过程，关于残余应力分布对电子声信号作用的机理及其理论模型目前 还处于探讨阶段，尚需进行进一步的深入研究。 1 2 2 4 磁弹r 生法和巴克豪森噪声法 磁弹性法和巴克豪森噪声法【2 3 刨1 是利用应力对磁性材料的磁学性能的影响来 测定应力的技术。根据铁磁性物体在磁化过程中磁畴的旋转和位移原理，当有应力 存在时，对磁畴的旋转和位移会产生附加的阻力，磁化曲线因此种应力会发生变化。 根据这种变化可以推测出残余磁性与应力之间的变化关系。磁性法测残余应力适用 于测相变应力，这是因为在同一磁场中就整个断面来考虑，宏观残余应力在整个断 面上保持平衡，实际上对磁性产生影响的是相变应力和晶体内的应力，磁性法测定 残余应力受磁化条件限制很难在现场测量，所以一般主要在实验室应用。对大型工 件而言，取样后由于应力状况难以代表工件实际应力状况，磁弹性法也不太适用。 另外，磁弹法和巴克豪森噪声法只能定性地给出应力的大小和热处理效果。 第1 章绪论 1 2 2 5 超声波法 超声波法是无损测量方法中有一定发展前景的方法，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，因此，利用超声波法进行残余应力测量的 潜力是显而易见的。超声波法是利用材料的声弹效应( 即施加在材料上的内应力的 变化引起超声波传播速度的变化，变化的大小取决于超声波的波型、传播方向、材 料组织和应力状况等) ，通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出应力分 布，其优点是能测量构件表面和内部的应力分布，其缺点是受探头与构件之间声耦 合层厚度变化、构件材料组织、环境温度等的影响。目前超声波测试残余应力主要 应用在三方面 2 5 - 2 8 ：测量热残余应力：测量螺栓应力；测量焊接应力。 现有的超声波应力测量技术主要包括以下六种： ( 1 ) 声双折射法 用声双折射技术进行应力评估的原理是根据施加在材料上的内应力会引起材料 的声学各向异性。平行和垂直于应力方向偏振的横波在材料内沿垂直于周向应力的 方向传播。两波的速度差与应力值和由材料性能引起的各向异性成比例。如果材料 的各向异性已知，那么就可以算出应力值。 1 9 5 9 年b e r s o n 和r a e l s o n 发现了超声波在有应力材料中的双折射现象 29 1 ，即在 应力作用下，沿两个偏振主方向上传播的横波波速与在无应力状态下的波速有微弱 的差别，这一现象的发现为利用超声波的声弹效应测量应力奠定了物理基础，并且 利用超声波对固体中的应力进行了测量。 1 9 6 7 年c r e c r a f t 发表了利用超声波测量工作应力和残余应力的文章【3 们，他描述 了超声波的双折射现象与在进行光弹应变分析中观测到光的双折射现象类似。在主 应力方向上传播的偏振横波波速取决于该方向上应力的大小。由于超声波的双折射 技术用于应力测量不需要知道试样的厚度，而只需根据时间差便可得出在偏振方向 的应力值，因此被各国学者所广泛利用。该方法用于测量各向同性介质中的应力效 果良好。但由于材料微结构的差异和晶粒取向导致材料呈各向异性，这时由于各向 异性引起剪切波波速的变化比声弹效应引起的波速变化要大，致使测量结果可靠性 变差。同时双折射技术得出的应力值是在试样厚度上的平均应力，在厚度方向存在 很大的应力梯度时，不能反映出来 引 。 m a h a d e v a n 研究了超声波频率对应力和晶体组织的影响及其相关性【32 1 。他测量 了频率对双折射的影响，并发现晶体结构引起的双折射在很大程度上与频率有依从 关系。b a c h 和a s k e g a a r d 研究了双轴应力场中声波的应用，以及双轴和三轴应力场 中应力与超声波速度间相互关系的一般表达式 3 3 。 ( 2 ) 表面波法 表面波适用于评价试件表面和次表面的材料特性。测定试件表面应力的原理是 e 上海交通大学博士后研究工作报告 根据半无限体在弹性应力作用下表现出的弹性各向异性，可求出平面上表面波速度 与表面应力的关系【3 4 3 5 o 1 9 6 1 年h a y e s 和r i v l i n 得出了在均匀变形的弹性体中的表面波沿一个主应力方 向传播的第一个理论 3 6 】，后来1 w a s h i m i z u 和k o b o f i 对该理论进行了概括总结 3 7 。 g c r h a r t 探讨了波的传播方向与主应力方向不一致的情况【3 8 ，而h i r a o 等则探讨了初 始应力随深度变化的情况 3 引，其他一些作者探讨了应力和由于织构引起的各向异性 的影响。瑞利波在铝合金和低碳钢中的声弹效应被许多作者所研究，j a s s b y $ s a l t o u n 利用瑞利波对试件的工作应力进行了测量 4 叭，而h u s s o n 则对试件的残余应力进行 了测量【4 ”。瑞利波的波速可利用接触的压电换能器探头、非接触的电磁超声换能器 探头及激光超声技术测量。 近年来，许多研究工作者仍致力于利用超声波的声弹效应测量残余应力的研究， 并取得了些成果。l u t h i 提出了测量各向同性材料三维应力的方法 4 2 1 ，并给出了 利用l a m e 常数五和口，以及m u m a g h a n 常数，、m 和n 的表达式，测量方法主要是 通过测量三个不同方向超声波的飞行时间以及试件的厚度来确定的。同时他还得出 了轻微各向异性材料在双轴应力作用下应力和声速的关系，并指出在这种情况下应 特别注意织构的方向，丽不是主应力方向。d u q u e n n o y ，o u a f t o u h 和o u r a k 也研究 了利用瑞利波评价各向异性材料的应力状态的方法，建立了有应力各向异性材料的 瑞利波传播方程，得出了波速的变化与应力的关系【4 3 1 。 ( 3 ) 反射纵波法 体波对测量试件内部的材料性能是非常有用的。反射纵波是在测量试件内部传 播的纵波，是测量试件内部体应力的很好方法，其原理是根据被测物体在弹性应力 作用下表现出的弹性各向异性，可求出反射纵波速度与表面测量试件内部体应力的 关系。同济大学声学所利用反射纵波法测量了钢轨的应力，取得了良好的效果。 ( 4 ) 电磁超声法 常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂才能实现与被测部件之间的良好耦 合，且对被测件的表面质量要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的测 量环境。 电磁声换能器( e m a t ) 是一种在金属表面不需要任何机械( 液体) 耦合就能 产生体纵波、横波、r a y l e i g h 波、l a m b 波和表面波的超声换能器。因为不需要任何 液体耦合，e m a t 可以在高温和高速扫描情况下工作。e m a t 的特性很容易在另一 个换能器上重复实现，所以可以用于制作标准换能器。另外，它可以很容易的产生 一般压电换能器很难激发的s h 波。横波和纵波的角度可以通过控制频率来控制。 e m a t 也有它的缺点，那就是e m a t 的插入损失比普通的压电换能器大得多，所以 在激发和接收时必须调整阻抗。因为产生超声波时是一个电流控制的操作，所以不 第l 苹绪论 同的e m a t 需要不同的驱动电路4 4 “n ，而且也不能用于非金属材料的测量【4 羽。 ( 5 ) 激光超声法 激光超声是利用激光束来产生和测量超声，并开展超声传播研究和材料特性无 损评估的新兴学科。与传统的压电换能器技术相比，激光超声最主要的优点也是非 接触测量，它消除了压电换能器技术中的耦合剂的影响，可用于各种较复杂形貌试 样的特性测量，加上它又是一种宽带的测量技术，并能利用光波波长为测量标准而 精确测量超声位移。因此利用激光超声技术测量应力是一种极有应用前景的新的无 损测量技术。近年来激光超声技术在应力测量方面得到了很大的发展，是一种极具 潜力的应力测量技术之一 4 9 5 t 1 。 ( 6 ) 临界折射纵波法 临界折射纵波是一种特殊情况下激发的纵波，它是纵波以第一临界角入射时产 生的特殊模式，它在试件表层一定深度内传播，它具有表面波和体波的特性，并且 在一些特殊应用方面具有比传统的表面波和体波更优的性能。b r e k h o v s k i i ， b a s a t s k a y a 和e r m o l o v ，j u n g h a n s 和b r a y ，以及l a n g e n b e r g 等学者对临界折射纵波 的一些特性进行了系统的研究，并且利用临界折射纵波技术测量应力在各种材料中 进行了试验【5 m 4 1 。早期波兰研究者利用该技术测量钢轨中的应力【5 5 ，5 6 1 ，并取得了一 定的成效。他们成功的测量了钢轨由于制造产生的应力以及钢轨安装在路基上后由 于热作用产生的应力。同时b r a y 等人还用该项技术测量了铸铁件、涡轮盘、压缩机 转轴的应力等【5 2 划 ，以及s a l a m a n c a 测量了安装在发电站涡轮机转轮上热嵌配合挡 圈的应力分布，t a n a l a 等人也对焊接铝试样的应力分布进行了测量 3 1 】。这些实例都 证实了临界折射纵波在应力评价中的独特性，它对应力变化非常敏感。当利用临界 折射纵波测试有限厚度的试样时，临界折射纵波的穿透深度是超声波频率的函数， 低频波比高频波渗透得深。并且b r a y 等人通过试验探讨了实际声波能量的分布与深 度的关系，但还没有任何理论能对临界折射纵波的有效渗透深度进行解释。同时 b r a y 等人还探讨了织构对临界临界折射纵波的影响，研究表明临晃折射纵波对织构 不敏感【5 7 】。 1 3 轧辊残余应力测量的研究现状 尽管开展轧辊残余应力测量是极其重要的，但由于其特殊性和难度，关于这方 面研究的可查文献较少。尽管如此，国内外对轧辊应力测量的研究还是非常重视， 并开展了这方面的研究工作。 1 9 3 6 年e f l e r 利用s a c h s 法对冷硬铸铁轧辊的铸造应力进行了测试。s a c h s 法即 逐次剥层法，其基本原理是将轧辊钻中心孔，从内壁逐次剥除，随着剥除，对轧辊 的轴向长度和外径的变形( 即应变) 进行测量，由此计算出轧辊中的三向残余应力 上海交通大学博士后研究工作报告 分布情况。1 9 5 6 年d i g l o l a 和p e c k 也报道了利用s a c h s 法测试铸铁轧辊得的残余应 力，并提出了通过测量的表面残余应力计算内部残余应力的方法 5 引。 1 9 8 2 年h o r v a t h 和c k i l t o n 采用x 射线法和盲孔法对铸铁轧辊和锻钢轧辊进行 y n 试分析口”。x 衍射法在锻钢轧辊上获得了满意的结果；而由于铸铁轧辊材料晶 粒粗大，受当时x 射线衍射技术的限制，x 射线法结果不满意，而且认为x 射线不 适合测试铸铁轧辊残余应力。盲孔法的应力释放他们采用了喷砂打孔技术，并获得 了非常满意的结果。 1 9 8 5 年美国学者t i i t t o 利用b a r k a h a u s e n 噪声法对新的和使用过的高铬铸铁轧 辊、锻钢轧辊以及一些失效( 如出现裂纹、发生剥落等) 的轧辊进行了研究 6 0 】。但 对轧辊硬度、微结构等对磁弹的影响不能进行区分。1 9 8 6 年s a n t o l i 也报道了利用 b a r k h a u s e n 噪声法测试铸钢轧辊和支撑辊的情况【6 1 ，s c h r o e d e r 报道了b a r k h a u s e n 噪声法测试高铬热轧工作辊残余应力的情况【6 孙。 1 9 9 0 年东北重型机械学院张海等人采用x 射线法对冷轧辊的残余压应力进行 研究 6 3 6 4 】。他们在回火工艺参数对冷轧辊硬度和残余应力的影响方面进行了系统的 研究。2 0 0 1 年张海又利用x 射线法测试了磨削加工和车削加工对大型冷轧辊产生的 附加应力层内残余应力的分布【6 5 】。 圆盘法测量轧辊内部残余应力的基本原理是：把轧辊切割成圆盘，将应变测量 仪固定在圆盘上之后，在圆盘上分割立体单元，使应力释放。1 9 9 2 年y a s u h i r o 进行 了有关圆盘厚度对圆盘法测量轧辊残余应力测试结果影响的实验研究 6 6 】， 19 9 3 年c o s t an e t o 等人利用x 射线法对高铬铸铁轧辊、锻造冷轧辊和支撑辊 中的残余应力进行了测试 6 7 】。其目的在于减少轧辊在热处理过程中的残余奥氏体含 量和控制轧辊中的残余应力，还用于评价冷轧辊和支承辊表面硬化层深度。 1 9 9 4 年我国学者刘桂芝等人利用喷砂打孔法对几种材质的大型冷轧辊模拟件 在经过淬火和回火后的残余应力进行了测试和分析 6 8 ，得出了不同直径淬火件的残 余应力分布情况和6 0 0 。c 回火温度下的残余应力消除情况，为制定合理的热处理方 案和数值模拟计算、防止大型冷轧辊因残余应力面导致变形和开裂提供可靠的数据。 1 9 9 5 年东北重型机械学院的刘助柏等人用s a c h s 法对不同辊型、尺寸、材料和 加工处理方法的模拟冷轧辊中的残余应力进行了研究 6 9 1 ，并提出了虚拟打孔法和虚 拟剥层法对古老的s a c h s 法进行了发展，解决了实心辊中心和空心辊内表层的残余 应力精确测定阅题。 1 9 9 6 年中国纺织大学的袁金富等人研究了x 射线法测试残余应力对铸铁轧辊 材料的适应性 70 1 。他们认为采用电解抛光消除附加应力层，用x 射线衍射测定铸铁 轧辊的残余应力是可行，且数据是可靠的。1 9 9 7 年他们又分别对中2 6 5 中镍铬冷硬 铸铁轧辊和中8 0 0 铝合金冷硬球墨复合铸铁轧辊的残余应力进行了测试分析 7 1 , 7 2 ，并 第1 苹绪论 采用局部剥层的方法测试了沿层深的残余应力分布。 2 0 0 2 年安徽工业大学冶金与材料学院的黄贞益和东北大学材料与冶金工程学 院的白光润对被n * l 辊用腐蚀法剥层，并采用机械测定法中测试精度较高的应变计 法对冷轧辊在线磨辊表层残余应力进行研究口“。 2 0 0 3 年东华大学的沈剑和朱世根利用c c y 一8 4 型磁测应力仪来测定铸铁轧辊工 作层残余应力【7 “，对铬铝冷硬白口铸铁磁测应力灵敏系数进行了标定，并得出铬钼冷 硬白口铸铁的灵敏系数。 1 4 轧辊残余应力测量方法的选用 轧辊内部不均匀分布的残余应力是造成轧辊异常失效的原因之一，定量无损测 量轧辊残余应力对指导轧辊使用非常重要。定量测量残余应力的方法有很多种，如 1 2 1 所述的机械测定法和1 2 2 所述的物理测定法。 由于机械测定法均属于破坏性的应力测量方法，因此对于现场轧辊的应力测量 是不适用的。 物理测定法中的x 射线衍射技术，由于其测定的只是轧辊表层深度1 0 3 5um 的应力，而辊面的磨削加工应力层就超过1 0 0 um ，因此，该方法用于现场轧辊辊 面应力测量受一定制约；中子法由于受到中子源仪器状况的限制，在现场使用时无 法测得在自由状态下的晶体晶格原子面间距或掠射角，因此，应用于现场轧辊辊面 应力测量同样不适用：由于在轧辊材料中含有大量的碳化物使得磁弹技术和 b a r k h a u s e n 噪声法在轧辊材料上的应用效果不理想，同样该方法不适用于轧辊辊面 应力的测量。 超声波可穿透物体，且其声弹效应主要取决于材料内部的应变大小，因此，可 利用超声波的声弹常数与应力之间的特定关系来进行轧辊的残余应力测量。利用超 声波测量应力，对应力敏感的超声波型主要有纵波、横波和表面波，相对其它几种 超声波而言，纵波具有传播速度快、衰减小、且对应力最敏感的优点。临界折射纵 波是一种沿物体表面传播的特殊的纵波，具有应力测量的灵敏度高的特点，因此临 界折射纵波是测量材料应力最有效的波型之一，可用于测量轧辊表面和次表面层应 力。 综上所述，采用超声波临界折射纵波这种模式做为超声应力测量方法用波来进 行轧辊应力的定量测定。 1 5 本文主要研究内容 本文对轧辊残余应力测量技术进行了系统的研究，主要对以下七个方面进行了 研究： q 上海交通大学博士后研究工作报告 1 研制一套采用“一发两收”模式的基于临界折射纵波的超声波应力测量系统， 用于轧辊表面残余应力的测量和分析。 2 开发一套超声波应力测量分析软件，对声弹常数进行标定以及对轧辊表面残 余应力测量结果进行分析与比较。 3 在实验的基础上，得出各种影响轧辊超声波应力测量精度的因素对测量结果 的影响规律，制定出可满足现场使用条件和测量精度要求的超声波应力测量规程。 4 研制一套超声应力常数标定装置，对不同材质的材料进行应力常数的标定。 5 在对被测材料开展超声波应力测量的同时，采用成熟的应力测量技术( x 射 线衍射法和盲孔法) 对超声波应力测量结果进行对比，作为超声波应力测量结果的 对比依据。 6 根据现场轧辊的具体情况，研制一套超声波探头装置与超声波应力测量系统 配套使用实现超声波法轧辊表面应力测量。 7 利用基于临界折射纵波的超声波应力测量系统和超声波探头装置对轧辊表 面应力进行测量。 第2 章基于i 临界折射纵波的超声波应力测量理论研究 第2 章基于临界折射纵波的超声波应力测量理论研究 超声波可穿透物体，且其声弹效应主要取决于材料内部的应变大小，因此，可 利用超声波的声弹常数与应力之间的特定关系来进行残余应力测量。对应力敏感的 超声波型主要有纵波、横波和表面波，相对其它几种超声波而言，纵波具有传播速 度快、衰减小、且对应力最敏感的优点。本文采用超声临界折射纵波对轧辊表面应 力进行测量，该波可在轧辊表层一定深度内传播，具有表面波和体波的特性，且在 一些特殊应用方面具有比传统的表面波和体波更优的性能。 本章首先介绍了有关临界折射纵波的原理方面的内容，接着对临界折射纵波探 头的设计原则和临界折射纵波超声波应力测量的基本原理进行了介绍，最后对影响 超声应力测量精度的因素进行了分析，以消除或减4 , n 量过程中这些影响因素对测 量结果的影响。 2 1临界折射纵波的产生与特性 当超声波在一介质中传播到界面或遇到另一种介质，其方向不垂直于界面时 将产生超声波的反射、折射及波型转换现象 7 5 , 7 6 1 ，如图2 - i 所示。 弋 渤7 驴 岛岛 深 图2 - i 超声波倾斜入射时反射、折射和波型转换 f i g 2 1t h er e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o no fu l t r a s o n i cw a v ea n dw a v em o d ec o n v e r s i o n 2 1 1 临界折射纵波的产生 当超声纵波从一种介质倾斜入射至另一种介质时，在界面处要发生波型转换， 分离成折射纵波和折射横波，两种折射波的传播方向互不相同，而且也不同于入射 波的方向，如图2 - 2 所示。根据s n e l l 定律 7 5 有： s i n a ：s i n f l t ：s i n b , ( 2 - 1 、 c ic ：2c t 2 1 l 上海交通大学博士后研究工作报告 式中：口入射角； 屈纵波折射角； 尼横波折射角； q 入射波在第一介质中的声速； c ，：纵波在第二介质中的声速； q ：横波在第二介质中的声速。 通过( 2 - 1 ) 得： ( 2 - 2 ) a b 圈2 - 2 超声波的临界折射 f i g 2 - 2t h ec r i t i c a lr e f r a c t i o no fu l t r a s o n i cw a v e 当入射波为纵波，且介质i 中的纵波波速c ，。小于介质i i 中的纵波波速c 。即 。n 口) ，同时有届 a ， 且折射纵波的角度届随着入射纵波的角度口的增大而增大。当折射纵波的角度 届= 9 0 。时( 如图2 - 2 中a 所示) ，纵波入射角叫做第一临界角，用口，表示。第一临 界角a ，为： 厂。、 甜，= s i 叫导l ( 2 - 3 ) 。1 2 当入射角a ，等于第一临界角口，时，折射纵波沿材料表面传播，显然入射角大于 口，时，第二介质中只有折射横波存在。 若介质i 中的纵波波速c 。小于介质i i 中的横波波速c 。即c 。