CSTM-無(wú)損檢測(cè) 軌道交通材料 機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)輪殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗(yàn)方法

ICSICS[XX.XX.XX]XX[XX]中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXX-202X無(wú)損檢測(cè)軌道交通材料機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)輪殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗(yàn)方法（征求意見(jiàn)稿）202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施發(fā)布中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布前言本文件按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。本文件由中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域委員會(huì)提出。本文件由中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域委員會(huì)歸口。本文件起草單位：鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，馬鞍山鋼鐵股份有限公司軌道交通材料公司，太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司軌道交通設(shè)備有限公司。本文件主要起草人：

無(wú)損檢測(cè)軌道交通材料機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)輪殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗(yàn)方法范圍本文件規(guī)定了鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛用新制成品整體車(chē)輪（以下簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)輪）殘余應(yīng)力電磁超聲檢驗(yàn)的原理、方法、人員、設(shè)備、標(biāo)定、步驟、記錄的一般原則。本文件適用于車(chē)輪踏面下輪輞內(nèi)的周向殘余壓應(yīng)力分布的檢測(cè)。本文件規(guī)定的方法不能替代采用切割法對(duì)車(chē)輪周向殘余壓應(yīng)力趨勢(shì)的測(cè)量；也不能替代采用應(yīng)變片法對(duì)輪輞殘余應(yīng)力分布的測(cè)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。規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)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(wú)損檢測(cè)通用術(shù)語(yǔ)和定義GB/T12604.1無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)超聲檢測(cè)GB/T9445無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證GB/T7314金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法GB/T16923鋼件的正火與退火GB/T25712振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法Q/CR638動(dòng)車(chē)組車(chē)輪TJ/CL275A-2016動(dòng)車(chē)組車(chē)輪暫行技術(shù)條件術(shù)語(yǔ)和定義GB/T20737和GB/T12604.1界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。雙折射效應(yīng)birefringenceeffect由于應(yīng)力造成聲彈性的非線(xiàn)性，橫波在金屬材料中傳播時(shí)沿主應(yīng)力方向分開(kāi)為兩個(gè)偏振方向的聲束、且以不同速度傳播的效應(yīng)。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扁平（螺旋）線(xiàn)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(xiàn)圈。洛侖茲力Lorentzforce電流在磁場(chǎng)中所受的力。洛侖茲力垂直于磁場(chǎng)和電流方向，與電動(dòng)機(jī)的原理相同。磁致伸縮力magnetostrictiveforce鐵磁性金屬材料在磁化時(shí)，磁疇壁移動(dòng)產(chǎn)生的力。檢測(cè)原理和檢測(cè)方法圖1EMAT激發(fā)超聲橫波原理電磁超聲是一種不使用耦合劑、非接觸的在金屬中實(shí)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(chǎng)垂直于金屬表面，當(dāng)螺旋線(xiàn)圈中通以高頻脈沖電流時(shí)，會(huì)在金屬表面感應(yīng)產(chǎn)生電流，電流在永久磁鐵磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用，在金屬中形成平行表面振動(dòng)向下傳播的橫波；在鐵磁性金屬材料時(shí)，電磁場(chǎng)能改變材料的磁致伸縮系數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生周期變化的磁致伸縮力疊加在圖1EMAT激發(fā)超聲橫波原理根據(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(jì)算車(chē)輪輪輞中殘余應(yīng)力的分布：一個(gè)沿徑向諧振、另一個(gè)沿周向偏振的兩個(gè)橫波傳播的相對(duì)時(shí)間差與這兩個(gè)方向上存在的主應(yīng)力差成正比，用公式表示即為（1）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(shí)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(cè)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(jìn)行的測(cè)量可直接得到周向殘余應(yīng)力值σc，具體方法為：圖2輪輞殘余應(yīng)力測(cè)量方法使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(chē)輪圓周方向，測(cè)量橫波在輪輞中往返一次的傳播時(shí)間tc（如果輻射聲波足夠強(qiáng)，為提高檢測(cè)精度，可測(cè)量多次回波的傳播時(shí)間）；將EMAT原地旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)橫波諧振方向沿車(chē)輪直徑方向，測(cè)量橫波在輪輞中的傳播時(shí)間tr（可測(cè)量與上相同的多次回波）；將測(cè)量的tr和tc以及聲彈系數(shù)k（它可以通過(guò)輪輞材料的力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)定獲得，詳見(jiàn)第6章）代入（1）式，即可計(jì)算出輪輞在該點(diǎn)處的周向殘余應(yīng)力σ圖2輪輞殘余應(yīng)力測(cè)量方法由上可知，采用EMAT方法測(cè)量的殘余應(yīng)力，是輻射聲束在整個(gè)傳播路徑上的平均值。檢測(cè)人員按本文件進(jìn)行檢測(cè)的人員應(yīng)參考GB/T9445的要求經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)。推薦檢測(cè)人員按照GB/T9445或等同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波檢測(cè)的資格鑒定與認(rèn)證。注：在GB/T9445中定義了對(duì)無(wú)損檢測(cè)1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)人員職責(zé)的要求。聲彈系數(shù)k的標(biāo)定概述聲彈系數(shù)k的標(biāo)定是基于壓力試驗(yàn)機(jī)能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)定試樣產(chǎn)生的一系列準(zhǔn)確的壓應(yīng)力值來(lái)標(biāo)定聲彈系數(shù)。標(biāo)定試樣的制備聲彈系數(shù)的標(biāo)定試樣應(yīng)參照GB/T7314要求制作。a）下料：從新制成品車(chē)輪上切割一段輪輞材料。b）加工：按照?qǐng)D3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(zhǎng)度L＝100mm，邊長(zhǎng)b＝50mm。圖3壓應(yīng)力標(biāo)定試樣c）處理：采用GB/T16923所述的熱處理方法（退火時(shí)應(yīng)保證金相組織不發(fā)生變化）或GB/T25712所述的振動(dòng)時(shí)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。標(biāo)定用設(shè)備用于標(biāo)定聲彈系數(shù)的設(shè)備包括壓力試驗(yàn)機(jī)，EMAT和電磁超聲檢測(cè)儀。選用準(zhǔn)確度為Ⅰ級(jí)或Ⅰ級(jí)以上壓力試驗(yàn)機(jī)，在試驗(yàn)機(jī)上、下壓板的工作面之間安放EMAT，如圖4所示。圖4標(biāo)定設(shè)備局部示意圖標(biāo)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(cè)儀，選擇正常檢驗(yàn)時(shí)的頻率和脈沖數(shù)量。b）在試驗(yàn)機(jī)沒(méi)有加載時(shí)，記錄超聲波的傳播時(shí)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(yàn)機(jī)持續(xù)加載，在0～200MPa之間選擇10個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。對(duì)于每一標(biāo)定點(diǎn)，控制試驗(yàn)機(jī)，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(shí)間tc（測(cè)量的回波次數(shù)應(yīng)與未加載時(shí)相同）。d）對(duì)記錄的各標(biāo)定點(diǎn)的應(yīng)力值σci和傳播時(shí)間tci（i＝1～10）的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到的直線(xiàn)斜率的倒數(shù)即為聲彈系數(shù)k，參見(jiàn)公式（2）。（2）壓應(yīng)力值與聲波傳播時(shí)間的線(xiàn)性關(guān)系如圖5所示。圖5壓應(yīng)力值與聲波傳播時(shí)間的線(xiàn)性關(guān)系檢測(cè)設(shè)備一般要求用于本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輪輞殘余壓應(yīng)力檢驗(yàn)系統(tǒng)，至少應(yīng)包含專(zhuān)用橫波EMAT、換能器掃查裝置和殘余應(yīng)力電磁超聲檢測(cè)儀。EMAT專(zhuān)用EMAT由永久磁鐵和螺旋線(xiàn)圈組成，當(dāng)在線(xiàn)圈中通以高頻脈沖電流時(shí)，能夠在EMAT附近的金屬材料中發(fā)射和接收超聲橫波。換能器掃查裝置換能器掃查裝置包括裝置外殼，使EMAT移動(dòng)掃描的導(dǎo)軌，驅(qū)動(dòng)EMAT在導(dǎo)軌上運(yùn)行的司服系統(tǒng)，以及帶動(dòng)EMAT原地旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)。檢測(cè)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，以測(cè)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(dòng)EMAT移動(dòng)的動(dòng)力和控制單元；轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)使EMAT旋轉(zhuǎn)90°。殘余應(yīng)力電磁超聲檢測(cè)儀殘余應(yīng)力電磁超聲檢測(cè)儀由發(fā)射單元、接收單元、溫度補(bǔ)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(hào)，測(cè)量聲程時(shí)間以及計(jì)算殘余應(yīng)力值；溫度補(bǔ)償單元通過(guò)測(cè)量輪輞表面溫度，對(duì)殘余應(yīng)力值進(jìn)行修定；控制單元負(fù)責(zé)EMAT完成整個(gè)掃描檢測(cè)程序的全過(guò)程自動(dòng)控制。殘余應(yīng)力電磁超聲檢測(cè)儀除了能測(cè)量輪輞的殘余應(yīng)力，還能測(cè)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。檢測(cè)步驟檢測(cè)時(shí)機(jī)和條件8.1.1檢測(cè)應(yīng)在車(chē)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(chǎng)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行。8.1.2輪輞表面的光潔度應(yīng)滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組車(chē)輪標(biāo)準(zhǔn)要求，且沒(méi)有氧化皮、油污和鐵屑。8.1.3車(chē)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。實(shí)施檢測(cè)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(chē)輪直徑方向。掃查裝置應(yīng)固定牢靠，檢測(cè)中不能有振動(dòng)和移動(dòng)。8.2.2確定殘余應(yīng)力檢驗(yàn)區(qū)域：使EMAT沿導(dǎo)軌從靠近踏面處向輪心移動(dòng)，連續(xù)測(cè)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(cè)的輪輞區(qū)間。掃查完成后，EMAT自動(dòng)沿導(dǎo)軌回位至可檢測(cè)區(qū)間的上限點(diǎn)，并以此作為正式檢測(cè)掃查的起位置。這是EMAT對(duì)輪輞的第一次掃查。8.2.3測(cè)試聲波傳播時(shí)間tr：使EMAT激發(fā)橫波的諧振方向沿車(chē)輪徑向，并在輪輞可檢測(cè)區(qū)間從上至下移動(dòng)掃查。在整個(gè)掃查區(qū)間內(nèi)，可以任意選擇步進(jìn)測(cè)試間隔點(diǎn)，推薦每隔1mm測(cè)試一次。掃查完成后，EMAT自動(dòng)回位至檢測(cè)掃查起始位置。這是EMAT對(duì)輪輞的第二次掃查。8.2.4測(cè)試聲波傳播時(shí)間tc：先將EMAT旋轉(zhuǎn)90°，使激發(fā)的橫波諧振方向沿車(chē)輪周向，然后在輪輞可檢測(cè)區(qū)間從上至下移動(dòng)掃查。在掃查區(qū)間內(nèi)，間隔測(cè)試點(diǎn)應(yīng)與測(cè)試tr時(shí)相同。這是EMAT對(duì)輪輞的第三次掃查。8.2.5計(jì)算殘余壓應(yīng)力值：在完成上述三次掃查后，電磁超聲檢測(cè)儀根據(jù)各測(cè)試點(diǎn)的tr值和tc值，分別計(jì)算出相應(yīng)的殘余應(yīng)力σc，并繪制出以輪輞深度為橫坐標(biāo)、壓應(yīng)力值為縱坐標(biāo)的殘余應(yīng)力分布曲線(xiàn)，且在儀器的顯示屏幕上顯示出來(lái)。8.2.6如果產(chǎn)品需要或客戶(hù)要求，可以在輪輞上選擇多個(gè)位置測(cè)量殘余應(yīng)力的分布，并實(shí)施上述8.2.1～8.2.5的測(cè)量步驟。驗(yàn)收依據(jù)Q/CR638標(biāo)準(zhǔn)要求，新制成品車(chē)輪在踏面表面附近的周向壓應(yīng)力值應(yīng)為80MPa～150MPa，零應(yīng)力區(qū)應(yīng)在踏面下35mm（磨耗到限處）至50mm之間。車(chē)輪踏面（滾動(dòng)接觸基線(xiàn)）下的殘余應(yīng)力分布如圖6所示。依據(jù)TJ/CL275A-2016文件的要求，對(duì)于材質(zhì)為ER8、ER9、ER8C的車(chē)輪踏面表面