《無損檢測 軌道交通材料 機車車輛車輪殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗方法-CSTM標準征求意見稿》

ICS[XX.XX.XX]

XX[XX]

中國材料與試驗團體標準

T/CSTMXXXX-202X

無損檢測軌道交通材料機車車輛車

輪殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗方法

Nondestructivetesting—Railtransitmaterial—Measurementmethodof

residualstressdistributionofwheelsforrollingstockwithEMAT

（征求意見稿）

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟

發(fā)布

中國材料與試驗團體標準委員會

無損檢測軌道交通材料機車車輛車輪殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗

方法

1范圍

本文件規(guī)定了鐵路機車車輛用新制成品整體車輪（以下簡稱車輪）殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗的原

理、方法、人員、設(shè)備、標定、步驟、記錄的一般原則。

本文件適用于車輪踏面下輪輞內(nèi)的周向殘余壓應(yīng)力分布的檢測。

本文件規(guī)定的方法不能替代采用切割法對車輪周向殘余壓應(yīng)力趨勢的測量；也不能替代采用應(yīng)

變片法對輪輞殘余應(yīng)力分布的測量，除非能夠證明應(yīng)用本方法得到的結(jié)果與應(yīng)變片法獲得的分布值

相同。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于

本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T20737無損檢測通用術(shù)語和定義

GB/T12604.1無損檢測術(shù)語超聲檢測

GB/T9445無損檢測人員資格鑒定與認證

GB/T7314金屬材料室溫壓縮試驗方法

GB/T16923鋼件的正火與退火

GB/T25712振動時效工藝參數(shù)選擇及效果評定方法

Q/CR638動車組車輪

TJ/CL275A-2016動車組車輪暫行技術(shù)條件

3術(shù)語和定義

GB/T20737和GB/T12604.1界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1雙折射效應(yīng)birefringenceeffect

由于應(yīng)力造成聲彈性的非線性，橫波在金屬材料中傳播時沿主應(yīng)力方向分開為兩個偏振方向的

聲束、且以不同速度傳播的效應(yīng)。

3.2電磁超聲換能器electromagneticacoustictransducer(EMAT)

利用電磁感應(yīng)效應(yīng)將電振蕩轉(zhuǎn)換成聲能或相反的電磁裝置

3.3扁平（螺旋）線圈pancake(spiral)coil

螺旋形繞制的具有均勻間距的電磁超聲換能器線圈。

3.4洛侖茲力Lorentzforce

電流在磁場中所受的力。洛侖茲力垂直于磁場和電流方向，與電動機的原理相同。

3.5磁致伸縮力magnetostrictiveforce

鐵磁性金屬材料在磁化時，磁疇壁移動產(chǎn)生的力。

4檢測原理和檢測方法

電磁超聲是一種不使用耦合劑、非接觸的在金屬中實現(xiàn)電能-聲能轉(zhuǎn)換的技術(shù)。如圖1所示是激

發(fā)超聲橫波的EMAT裝置：永久磁鐵的磁場垂直于金屬表面，當螺旋線圈中通以高頻脈沖電流時，

會在金屬表面感應(yīng)產(chǎn)生電流，電流在永久磁

鐵磁場中受洛倫茲力作用，在金屬中形成平

行表面振動向下傳播的橫波；在鐵磁性金屬

材料時，電磁場能改變材料的磁致伸縮系數(shù)，

進而產(chǎn)生周期變化的磁致伸縮力疊加在洛倫

茲力上。

根據(jù)聲彈性原理，金屬材料中的殘余應(yīng)

力影響超聲波的傳播速度。利用彈性聲波的

雙折射效應(yīng)可以計算車輪輪輞中殘余應(yīng)力的

圖1EMAT激發(fā)超聲橫波原理

分布：一個沿徑向諧振、另一個沿周向偏振

的兩個橫波傳播的相對時間差與這兩個方向上存在的主應(yīng)力差成正比，用公式表示即為

trtc（）

crk1

tc

式中σc和σr分別是周向和徑向的主應(yīng)力，tr和tc分別是徑向和周向諧振橫波的傳播時間，k是聲彈性

系數(shù)。

雖然在（1）式中考慮了徑向應(yīng)力，但以往的測量結(jié)果表明，輪輞中的徑向殘余應(yīng)力σr非常弱，

可以被忽略，因此用這種方法進行的測量可直接得到周向殘余應(yīng)力值σc，具體方法為：

使EMAT垂直于內(nèi)側(cè)輪輞（如圖2所示），并使橫波諧振方向沿車輪圓周方向，測量橫波在輪

輞中往返一次的傳播時間tc（如果輻射聲波足夠強，

為提高檢測精度，可測量多次回波的傳播時間）；將

EMAT原地旋轉(zhuǎn)90°，此時橫波諧振方向沿車輪直

徑方向，測量橫波在輪輞中的傳播時間t（r可測量與

上相同的多次回波）；將測量的tr和tc以及聲彈系數(shù)

k（它可以通過輪輞材料的力學(xué)試驗標定獲得，詳見

第6章）代入（1）式，即可計算出輪輞在該點處的

圖2輪輞殘余應(yīng)力測量方法

周向殘余應(yīng)力σc。

由上可知，采用EMAT方法測量的殘余應(yīng)力，是輻射聲束在整個傳播路徑上的平均值。

5檢測人員

按本文件進行檢測的人員應(yīng)參考GB/T9445的要求經(jīng)過專門培訓(xùn)。推薦檢測人員按照GB/T9445

或等同標準進行超聲波檢測的資格鑒定與認證。

注：在GB/T9445中定義了對無損檢測1級、2級和3級人員職責(zé)的要求。

6聲彈系數(shù)k的標定

6.1概述

聲彈系數(shù)k的標定是基于壓力試驗機能夠產(chǎn)生標準壓縮應(yīng)力值以及超聲橫波具有雙折射效應(yīng)形

成的，即利用壓力試驗機對標定試樣產(chǎn)生的一系列準確的壓應(yīng)力值來標定聲彈系數(shù)。

6.2標定試樣的制備

聲彈系數(shù)的標定試樣應(yīng)參照GB/T7314要求制作。

a）下料：從新制成品車輪上切割一段輪輞材料。

b）加工：按照圖3所示要求，將輪輞材料加工成正方形柱體壓縮試樣，圖中的試樣長度L＝

100mm，邊長b＝50mm。

圖3壓應(yīng)力標定試樣

c）處理：采用GB/T16923所述的熱處理方法（退火時應(yīng)保證金相組織不發(fā)生變化）或GB/T25712

所述的振動時效處理方法，消除試件中的殘余應(yīng)力，使之成為零應(yīng)力試件。

6.3標定用設(shè)備

用于標定聲彈系數(shù)的設(shè)備包括壓力試驗機，EMAT和電磁超聲檢測儀。

選用準確度為Ⅰ級或Ⅰ級以上壓力試驗機，在試驗機上、下壓板的工作面之間安放EMAT，如

圖4所示。

圖4標定設(shè)備局部示意圖

6.4標定程序

a）將EMAT垂直固定在試件側(cè)面的中部，并使橫波偏振方向垂直于試件受力方向。調(diào)節(jié)電磁超

聲檢測儀，選擇正常檢驗時的頻率和脈沖數(shù)量。

b）在試驗機沒有加載時，記錄超聲波的傳播時間tr。在可行情況下，應(yīng)選擇盡量多的回波次數(shù)。

c）將EMAT旋轉(zhuǎn)90°，使橫波的偏振方向沿試件受力方向。讓試驗機持續(xù)加載，在0～200MPa

之間選擇10個標定點。對于每一標定點，控制試驗機，使試件所受壓力為設(shè)定值，記錄相應(yīng)的應(yīng)力

值σc和聲波傳播時間tc（測量的回波次數(shù)應(yīng)與未加載時相同）。

d）對記錄的各標定點的應(yīng)力值σci和傳播時間tci（i＝1～10）的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到的直線

斜率的倒數(shù)即為聲彈系數(shù)k，參見公式（2）。

2

10tt

rci（）

cik02

i1tci

壓應(yīng)力值與聲波傳播時間的線性關(guān)系如圖5所示。

圖5壓應(yīng)力值與聲波傳播時間的線性關(guān)系

7檢測設(shè)備

7.1一般要求

用于本標準規(guī)定的輪輞殘余壓應(yīng)力檢驗系統(tǒng)，至少應(yīng)包含專用橫波EMAT、換能器掃查裝置和

殘余應(yīng)力電磁超聲檢測儀。

7.2EMAT

專用EMAT由永久磁鐵和螺旋線圈組成，當在線圈中通以高頻脈沖電流時，能夠在EMAT附近

的金屬材料中發(fā)射和接收超聲橫波。

7.3換能器掃查裝置

換能器掃查裝置包括裝置外殼，使EMAT移動掃描的導(dǎo)軌，驅(qū)動EMAT在導(dǎo)軌上運行的司服系統(tǒng)，

以及帶動EMAT原地旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸機構(gòu)。檢測時，裝置外殼被固定在內(nèi)側(cè)輪輞上；殼體中的導(dǎo)軌使EMAT

沿徑向運動，以測量輪輞下不同深度處的殘余應(yīng)力值；司服系統(tǒng)是驅(qū)動EMAT移動的動力和控制單

元；轉(zhuǎn)軸機構(gòu)由電機驅(qū)動使EMAT旋轉(zhuǎn)90°。

7.4殘余應(yīng)力電磁超聲檢測儀

殘余應(yīng)力電磁超聲檢測儀由發(fā)射單元、接收單元、溫度補償單元和控制單元組成。發(fā)射單元用

于為EMAT提供適宜頻率和重復(fù)頻率的脈沖電流；接收單元用于放大和處理回波信號，測量聲程時

間以及計算殘余應(yīng)力值；溫度補償單元通過測量輪輞表面溫度，對殘余應(yīng)力值進行修定；控制單元

負責(zé)EMAT完成整個掃描檢測程序的全過程自動控制。

殘余應(yīng)力電磁超聲檢測儀除了能測量輪輞的殘余應(yīng)力，還能測量輪輞的厚度，以判別可行的輪

輞等厚掃查區(qū)域及其上下界限。

8檢測步驟

8.1檢測時機和條件

8.1.1檢測應(yīng)在車輪完成熱處理而產(chǎn)生周向殘余壓應(yīng)力之后、或在完成所有加工工序的出廠狀態(tài)時進

行。

8.1.2輪輞表面的光潔度應(yīng)滿足動車組車輪標準要求，且沒有氧化皮、油污和鐵屑。

8.1.3車輪處于直立或內(nèi)側(cè)輪輞面朝上的平臥姿態(tài)，便于換能器掃查裝置的安放和固定。

8.2實施檢測

8.2.1安置換能器掃查裝置：將換能器掃查裝置固定在內(nèi)側(cè)輪輞部位，并使裝置中的導(dǎo)軌方向沿車輪

直徑方向。掃查裝置應(yīng)固定牢靠，檢測中不能有振動和移動。

8.2.2確定殘余應(yīng)力檢驗區(qū)域：使EMAT沿導(dǎo)軌從靠近踏面處向輪心移動，連續(xù)測量輪輞的厚度值，

并據(jù)此得到厚度相等且不受邊界影響的可檢測的輪輞區(qū)間。掃查完成后，EMAT自動沿導(dǎo)軌回位至

可檢測區(qū)間的上限點，并以此作為正式檢測掃查的起位置。這是EMAT對輪輞的第一次掃查。

8.2.3測試聲波傳播時間tr：使EMAT激發(fā)橫波的諧振方向沿車輪徑向，并在輪輞可檢測區(qū)間從上至

下移動掃查。在整個掃查區(qū)間內(nèi)，可以任意選擇步進測試間隔點，推薦每隔1mm測試一次。掃查完

成后，EMAT自動回位至檢測掃查起始位置。這是EMAT對輪輞的第二次掃查。

8.2.4測試聲波傳播時間tc：先將EMAT旋轉(zhuǎn)90°，使激發(fā)的橫波諧振方向沿車輪周向，然后在輪

輞可檢測區(qū)間從上至下移動掃查。在掃查區(qū)間內(nèi)，間隔測試點應(yīng)與測試tr時相同。這是EMAT對輪

輞的第三次掃查。

8.2.5計算殘余壓應(yīng)力值：在完成上述三次掃查后，電磁超聲檢測儀根據(jù)各測試點的