新工科背景下应用型本科院校工艺参数测试技术之新应力检测技术

【摘要】地方应用型本科院校响应新工科建设需求，部分传统工科专业需要引入新技术促进向新工科专业转化。本文针对应用型本科院校工艺参数测试技术课程教学内容的典型应力应变测试技术落后、课程实践难度大、教学内容需要更新等问题，提出增加最新的超声波应力检测的原理、设备、技术等教学内容，提高学生兴趣并增加学生自主学习能力，基于教学、实践和科研相融合协同发展要求，进行技术革新，紧跟科技发展，加入最前沿的先进技术，将最先进的应力测试技术应用于石油管道、交通运输、大型设备、机械等领域，更好地服务于地方经济发展建设。

【关键词】新工科  工艺参数测试  应力应变  超声应力检测

【中图分类号】G64   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）37-0177-02

教育部于2017年在复旦大学和天津大学召开了新工科研讨会，形成了“复旦共识”和“天大行动”[1]。“新工科研究与实践专家组工作会议”[2]上指出地方院校担负着对接地方经济发展，促进产业转型升级的任务。

新工科建设对地方应用型本科院校提出新的要求，但是地方院校存在与地方经济发展匹配不够、适应性不强的问题[3]。地方高校应响应新工科要求，承接地方发展的需求，紧跟科技发展的脚步，主动调整专业课程，通过产学研项目，匹配地方产业升级需求，培養高质量技术人才，适应和服务地方经济发展需求。

《工艺参数测试技术》是材料成型与控制、金属材料压力加工专业以及相关理工科专业的一门专业基础课程，检测技术的进步与设备和技术革新密切相关，是新工科背景下智能制造、新产业技术密切相关的关键课程，是非常需要将教学内容革新与时俱进的一门课程。该课程理论性强，需要较多的理论计算，同时对实践动手能力要求也非常高。其中，应力应变参数是工业材料、设备及控制中最关键的参数之一。应力参数的检测技术中重要的一块内容就是通过应变片组电桥，通过应变仪得到应变量，再求得应力数据的方法，在实际教学中，学生反映学习困难，应变片组电桥，过程繁琐、操作复杂，整个实践过程困难，应用起来有局限性，无法测残余应力。为此，本文针对新工科背景下人才培养的要求，探讨在教学内容中添加新型超声应力检测技术，为地方应用型本科院校相关专业学科提供参考，为传统功课专业升级培养人才提供思路。

一、《工艺参数测试技术》中应力应变测量技术教学现状

《工艺参数测试技术》主要包括信号的分类、测试系统的基本特性、常用传感器、信号变换及调理、随机信号相关和功率谱分析、记录及显示仪等内容。其中，轧制成形是本校的特色方向，轧制工艺参数中的应力应变参数的测量就是教学授课中的讲解重点，围绕应变片的工作原理、电桥电路的工作原理、应变仪的使用及应力应变测量方法等内容展开，根据日常教学、学生反馈及老师自查，发现学生在学习该内容时遇到一些问题。如：课程内容侧重于原理性介绍，理论性很强，涉及大量的知识点，学生学习起来困难，又缺乏实际的应用检测环节，学生学习热情不高。尤其应变花贴片组电桥等环节过程细致又繁琐，后续的信号转换处理涉及较多的数学公式、电路等，学生学习并真正应用起来还是比较困难。

应变片测应力技术属于传统的应力测量手段，应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应地发生变化。将应变片组成电桥电路，可以将应变片电阻值的变化转换成易于处理的电流或电压的变化，再进行标定等工作。该技术是广泛应用的一种测应力应变的方法，但其本身应用上仍然有一定的局限性。例如，该方法无法测材料真实的应力，只能通过应变片的变化来反映材料所受应力，典型的局限性就是无法测残余应力，而残余应力是在材料铸造、成形、机械加工及强化处理过程中产生的，一般是有害的，如果不适当的热处理、焊接或切削加工后，会引起零件发生翘曲、扭曲变形甚至开裂。或经淬火、磨削后表面出现裂纹。

二、应力应变测量技术中加入超声应力测试技术

针对基于应变效应的传统应力应变测量技术出现的贴片、组电桥和数据处理过程的繁琐以及无法测残余应力等局限性，本文作者基于产学研项目与上海应力分析科技有限公司合作开发了基于临界折射纵波的超声应力分析测试系统，能够在课程教学中引入超声应力测试技术，该技术相比于X射线、盲孔法、磁粉法测应力具有明显高精度的优势，是目前非常先进的无损检测应力新技术[4]。通过引入超声应力测试技术，为传统应变片法测应力技术升级，促进传统应力测试技术向新应力测试技术转型，而应力的测量在管道运输、压力容器、重型设备、桥梁建筑行业占据着重要的位置，随着应力检测新技术的引入，能够培养一大批具有开阔视野、能力卓越的工程师科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力支持和人才保障。

超声应力测试系统的硬件包括超声探头、楔块、、超声发射板卡和接收板卡等;软件部分包括超声波信号的发射、超声信号的采集，信号的滤波、处理、计算及作图等功能。

超声应力测试技术的基本工作原理为：由超声波发射板卡产生高压脉冲，激发压电陶瓷片产生超声波，当超声波以合适的入射角发射到介质表面时，会形成临界折射纵波，即LCR波，通过超声探头接收LCR波，采集板卡接收到信号后对信号进行保存、发送和处理，并通过上位机计算出材料的应力值。

超声应力测试设备一般采用便携式设计，使用时探头、楔块上涂上耦合剂，测试方法有些类似医院的B超，整个过程方便、快速、简单，学生动手实践容易很多，操作过程简单培训即可，可以更容易地理论与实践相结合;相比传统应变片优势非常明显，重点是该技术可以测实时应力，还可以测量残余应力，这是传统应变片测应力技术所不具备的。

三、超声应力技术教学、实践与科研融合的探讨

超声应力检测系统部分课程的讲授也主要围绕超声测试系统的搭建、超声信号发生于接收传感器、超声信号的处理、记录及显示等几部分展开，与本课程的课程目标和内容是高度重合的，非常容易融合进课堂教学中。本门课程是对我们学校金属材料与金属压力加工方向的学生在大四上学期开设的课程，通过向学生在课程教授先进的超声应力检测技术，设置课内实验课程，并基于自主开发的超声应力检测设备，开展实际的残余应力检测实验，增加学生的动手能力，实现教学与实践相结合。

同时，我们学校专业实习是有一周时间去周边合作的热处理厂进行专业实习，企业每天要热处理几十甚至上百种钢材，主要的热处理工艺就是进行淬火加高温回火调质处理，其中工艺参数中的淬火硬化的处理会产生大量的残余应力，残余应力过大会导致变形甚至开裂，而企业当前只采用打硬度的方式来检测淬火程度，而超声应力检测技术就是非常适合热处理企业、为企业实现检测技术升级、工艺技术改进升级的重要方案。我们目前正与企业进行超声残余应力相关科研项目的探讨，建立合作项目协议，有望在后续的专业实习过程中，在生產现场实际应用超声应力检测技术，并且企业有上百种钢材需要进行热处理，会有较多的标定检测等工作，能够真正促进教学、实践与科研的融合协同发展。

四、结论

本文针对工艺参数测试技术目前在应力应变的测量技术授课过程中存在的问题进行了分析，总结了学生在学习应变片法组电桥电路测应力技术时存在的问题，以及该方法无法测残余应力的问题，提出了添加先进的超声应力测试技术的方案措施，并介绍了该技术的基本原理、设备及优点，通过在授课内容中加入目前最先进的超声应力测试技术，既能开阔学生的视野，增进学生的专业能力，该方法又非常适合实践操作，能提高学生的实践能力，而且残余应力也是目前运输、压力容器、重型设备、桥梁建筑行业所急需又难以检测的重要参数变量;并根据本校工艺参数测试技术授课现状，结合本专业学生实习以及当地热处理厂为实际例子，探讨了教学、实践与科研协同发展的可行性。通过新工科建设对我们地方院校特色工科方向的要求，不断地进行技术革新，跟上科技发展的脚步，加入最前沿的先进技术，培养出适应社会需求的高质量新工科人才。同时教学改革是一个长期的过程，需要我们不断探索与实践。

参考文献：

[1]“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究， 2017（1）：10-11.

[2]新工科建设指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[3]夏建国，赵军. 新工科建设背景下地方高校工程教育改革发展刍议[J].高等工程教育研究，2017（3）：15-19.

[4]孙书博.增材制造构件超声无损检测系统的设计与研制[D].吉林大学，2020.

作者简介：

周冰（1987年-），男，陕西人，汉族，博士，上海应用技术大学材料科学与工程学院，讲师，研究方向：铝合金半固态成型、超声应力检测技术。