CSTM-无损检测 轨道交通材料 机车车辆车轮残余应力电磁超声检验方法

ICSICS[XX.XX.XX]XX[XX]中国材料与试验团体标准T/CSTMXXXX-202X无损检测轨道交通材料机车车辆车轮残余应力电磁超声检验方法（征求意见稿）202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施发布中关村材料试验技术联盟发布前言本文件按照GB/T1.1-2020给出的规则起草。本文件由中国材料与试验团体标准委员会无损检测领域委员会提出。本文件由中国材料与试验团体标准委员会无损检测领域委员会归口。本文件起草单位：钢研纳克检测技术股份有限公司，马鞍山钢铁股份有限公司轨道交通材料公司，太原重型机械集团有限公司轨道交通设备有限公司。本文件主要起草人：

无损检测轨道交通材料机车车辆车轮残余应力电磁超声检验方法范围本文件规定了铁路机车车辆用新制成品整体车轮（以下简称车轮）残余应力电磁超声检验的原理、方法、人员、设备、标定、步骤、记录的一般原则。本文件适用于车轮踏面下轮辋内的周向残余压应力分布的检测。本文件规定的方法不能替代采用切割法对车轮周向残余压应力趋势的测量；也不能替代采用应变片法对轮辋残余应力分布的测量，除非能够证明应用本方法得到的结果与应变片法获得的分布值相同。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T20737无损检测通用术语和定义GB/T12604.1无损检测术语超声检测GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证GB/T7314金属材料室温压缩试验方法GB/T16923钢件的正火与退火GB/T25712振动时效工艺参数选择及效果评定方法Q/CR638动车组车轮TJ/CL275A-2016动车组车轮暂行技术条件术语和定义GB/T20737和GB/T12604.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。双折射效应birefringenceeffect由于应力造成声弹性的非线性，横波在金属材料中传播时沿主应力方向分开为两个偏振方向的声束、且以不同速度传播的效应。电磁超声换能器electromagneticacoustictransducer(EMAT)利用电磁感应效应将电振荡转换成声能或相反的电磁装置扁平（螺旋）线圈pancake(spiral)coil螺旋形绕制的具有均匀间距的电磁超声换能器线圈。洛仑兹力Lorentzforce电流在磁场中所受的力。洛仑兹力垂直于磁场和电流方向，与电动机的原理相同。磁致伸缩力magnetostrictiveforce铁磁性金属材料在磁化时，磁畴壁移动产生的力。检测原理和检测方法图1EMAT激发超声横波原理电磁超声是一种不使用耦合剂、非接触的在金属中实现电能-声能转换的技术。如图1所示是激发超声横波的EMAT装置：永久磁铁的磁场垂直于金属表面，当螺旋线圈中通以高频脉冲电流时，会在金属表面感应产生电流，电流在永久磁铁磁场中受洛伦兹力作用，在金属中形成平行表面振动向下传播的横波；在铁磁性金属材料时，电磁场能改变材料的磁致伸缩系数，进而产生周期变化的磁致伸缩力叠加在图1EMAT激发超声横波原理根据声弹性原理，金属材料中的残余应力影响超声波的传播速度。利用弹性声波的双折射效应可以计算车轮轮辋中残余应力的分布：一个沿径向谐振、另一个沿周向偏振的两个横波传播的相对时间差与这两个方向上存在的主应力差成正比，用公式表示即为（1）式中σc和σr分别是周向和径向的主应力，tr和tc分别是径向和周向谐振横波的传播时间，k是声弹性系数。虽然在（1）式中考虑了径向应力，但以往的测量结果表明，轮辋中的径向残余应力σr非常弱，可以被忽略，因此用这种方法进行的测量可直接得到周向残余应力值σc，具体方法为：图2轮辋残余应力测量方法使EMAT垂直于内侧轮辋（如图2所示），并使横波谐振方向沿车轮圆周方向，测量横波在轮辋中往返一次的传播时间tc（如果辐射声波足够强，为提高检测精度，可测量多次回波的传播时间）；将EMAT原地旋转90°，此时横波谐振方向沿车轮直径方向，测量横波在轮辋中的传播时间tr（可测量与上相同的多次回波）；将测量的tr和tc以及声弹系数k（它可以通过轮辋材料的力学试验标定获得，详见第6章）代入（1）式，即可计算出轮辋在该点处的周向残余应力σ图2轮辋残余应力测量方法由上可知，采用EMAT方法测量的残余应力，是辐射声束在整个传播路径上的平均值。检测人员按本文件进行检测的人员应参考GB/T9445的要求经过专门培训。推荐检测人员按照GB/T9445或等同标准进行超声波检测的资格鉴定与认证。注：在GB/T9445中定义了对无损检测1级、2级和3级人员职责的要求。声弹系数k的标定概述声弹系数k的标定是基于压力试验机能够产生标准压缩应力值以及超声横波具有双折射效应形成的，即利用压力试验机对标定试样产生的一系列准确的压应力值来标定声弹系数。标定试样的制备声弹系数的标定试样应参照GB/T7314要求制作。a）下料：从新制成品车轮上切割一段轮辋材料。b）加工：按照图3所示要求，将轮辋材料加工成正方形柱体压缩试样，图中的试样长度L＝100mm，边长b＝50mm。图3压应力标定试样c）处理：采用GB/T16923所述的热处理方法（退火时应保证金相组织不发生变化）或GB/T25712所述的振动时效处理方法，消除试件中的残余应力，使之成为零应力试件。标定用设备用于标定声弹系数的设备包括压力试验机，EMAT和电磁超声检测仪。选用准确度为Ⅰ级或Ⅰ级以上压力试验机，在试验机上、下压板的工作面之间安放EMAT，如图4所示。图4标定设备局部示意图标定程序a）将EMAT垂直固定在试件侧面的中部，并使横波偏振方向垂直于试件受力方向。调节电磁超声检测仪，选择正常检验时的频率和脉冲数量。b）在试验机没有加载时，记录超声波的传播时间tr。在可行情况下，应选择尽量多的回波次数。c）将EMAT旋转90°，使横波的偏振方向沿试件受力方向。让试验机持续加载，在0～200MPa之间选择10个标定点。对于每一标定点，控制试验机，使试件所受压力为设定值，记录相应的应力值σc和声波传播时间tc（测量的回波次数应与未加载时相同）。d）对记录的各标定点的应力值σci和传播时间tci（i＝1～10）的数据进行线性拟合，得到的直线斜率的倒数即为声弹系数k，参见公式（2）。（2）压应力值与声波传播时间的线性关系如图5所示。图5压应力值与声波传播时间的线性关系检测设备一般要求用于本标准规定的轮辋残余压应力检验系统，至少应包含专用横波EMAT、换能器扫查装置和残余应力电磁超声检测仪。EMAT专用EMAT由永久磁铁和螺旋线圈组成，当在线圈中通以高频脉冲电流时，能够在EMAT附近的金属材料中发射和接收超声横波。换能器扫查装置换能器扫查装置包括装置外壳，使EMAT移动扫描的导轨，驱动EMAT在导轨上运行的司服系统，以及带动EMAT原地旋转的转轴机构。检测时，装置外壳被固定在内侧轮辋上；壳体中的导轨使EMAT沿径向运动，以测量轮辋下不同深度处的残余应力值；司服系统是驱动EMAT移动的动力和控制单元；转轴机构由电机驱动使EMAT旋转90°。残余应力电磁超声检测仪残余应力电磁超声检测仪由发射单元、接收单元、温度补偿单元和控制单元组成。发射单元用于为EMAT提供适宜频率和重复频率的脉冲电流；接收单元用于放大和处理回波信号，测量声程时间以及计算残余应力值；温度补偿单元通过测量轮辋表面温度，对残余应力值进行修定；控制单元负责EMAT完成整个扫描检测程序的全过程自动控制。残余应力电磁超声检测仪除了能测量轮辋的残余应力，还能测量轮辋的厚度，以判别可行的轮辋等厚扫查区域及其上下界限。检测步骤检测时机和条件8.1.1检测应在车轮完成热处理而产生周向残余压应力之后、或在完成所有加工工序的出厂状态时进行。8.1.2轮辋表面的光洁度应满足动车组车轮标准要求，且没有氧化皮、油污和铁屑。8.1.3车轮处于直立或内侧轮辋面朝上的平卧姿态，便于换能器扫查装置的安放和固定。实施检测8.2.1安置换能器扫查装置：将换能器扫查装置固定在内侧轮辋部位，并使装置中的导轨方向沿车轮直径方向。扫查装置应固定牢靠，检测中不能有振动和移动。8.2.2确定残余应力检验区域：使EMAT沿导轨从靠近踏面处向轮心移动，连续测量轮辋的厚度值，并据此得到厚度相等且不受边界影响的可检测的轮辋区间。扫查完成后，EMAT自动沿导轨回位至可检测区间的上限点，并以此作为正式检测扫查的起位置。这是EMAT对轮辋的第一次扫查。8.2.3测试声波传播时间tr：使EMAT激发横波的谐振方向沿车轮径向，并在轮辋可检测区间从上至下移动扫查。在整个扫查区间内，可以任意选择步进测试间隔点，推荐每隔1mm测试一次。扫查完成后，EMAT自动回位至检测扫查起始位置。这是EMAT对轮辋的第二次扫查。8.2.4测试声波传播时间tc：先将EMAT旋转90°，使激发的横波谐振方向沿车轮周向，然后在轮辋可检测区间从上至下移动扫查。在扫查区间内，间隔测试点应与测试tr时相同。这是EMAT对轮辋的第三次扫查。8.2.5计算残余压应力值：在完成上述三次扫查后，电磁超声检测仪根据各测试点的tr值和tc值，分别计算出相应的残余应力σc，并绘制出以轮辋深度为横坐标、压应力值为纵坐标的残余应力分布曲线，且在仪器的显示屏幕上显示出来。8.2.6如果产品需要或客户要求，可以在轮辋上选择多个位置测量残余应力的分布，并实施上述8.2.1～8.2.5的测量步骤。验收依据Q/CR638标准要求，新制成品车轮在踏面表面附近的周向压应力值应为80MPa～150MPa，零应力区应在踏面下35mm（磨耗到限处）至50mm之间。车轮踏面（滚动接触基线）下的残余应力分布如图6所示。依据TJ/CL275A-2016文件的要求，对于材质为ER8、ER9、ER8C的车轮踏面表面