残余应力的机械材料疲劳耐久性检测技术

2021-06-23秦世斌

科学技术创新 2021年18期

刘佳秦世斌

（中原科技学院机电工程学院，河南郑州450000）

残余应力是决定一种物质性能的主要力学特征参数之一，当一种物质在制造或者生产过程中受到某种外界因素作用和影响在物质内部形成的一种应力，该应力不会因为影响因素的消失而在物质内部消散，而是以平衡的形式存在物质内部。具有残余应力的机械材料力学性能会与普通机械性能有所不同，在机械材料生产和制造过程中，由于使用不同的生产工艺，机械材料中的残余应力也有所不同，这也就导致每种机械材料都有着不同的力学性能，尤其是疲劳耐久性。大部分机械材料都存在残余应力，这为机械材料疲劳耐久性检测提高了难度，传统检测技术应用过程比较复杂，需要通过大量的测试来完成，导致传统检测技术成本较高，已经无法满足残余应力的机械材料疲劳耐久性检测需求，为此提出残余应力的机械材料疲劳耐久性检测技术研究。

1 残余应力的机械材料疲劳耐久性检测现状

目前用于残余应力的机械材料疲劳耐久性检测的技术主要有人工测试、荷载实验分析判断等，这两种传统技术主要是对残余应力的机械材料进行反复的测试及荷载实验，需要对每次测试和实验数据进行记录和分析，根据测试和实验结果确定残余应力的机械材料疲劳耐久性能[1]。传统技术在实际操作过程中需要准备大量的测试材料和实验材料，并且还需要花费大量的人力资源，不仅检测效率比较低，而且检测成本还比较高。此外，在检测过程中还会对残余应力的机械材料造成一定的损坏[2]。随着无损检测技术和人工智能技术的不断发展，现有的残余应力的机械材料疲劳耐久性检测技术智能化和数字化程度较低，已经无法满足残余应力的机械材料疲劳耐久性检测技术要求，急需要对传统技术进行改良和创新，提高残余应力的机械材料疲劳耐久性检测精度，降低其检测成本。

2 机械材料疲劳耐久性检测

2.1 机械材料残余应力数值模拟分析

对于残余应力的机械材料疲劳耐久性检测，首先需要确定机械材料中的残余应力大小，该参数值直接关系到机械材料疲劳耐久性能。为了保证计算精度，本文采用数值模拟技术对机械材料中残余应力进行分析，选取JKDR 软件作为数值模拟分析软件，在该软件中建立机械材料数学模型，并且将机械材料各个参数输入到数学模型中，根据物质谐振频率与应变的关系确定机械材料残余应力大小。在JKDR 软件中打开谐振频率与应变关系式，如下所示。

公式（1）中，w 为机械材料谐振角频率；er 为机械材料阵型阶数；p 为机械材料弹性模量；f 为机械材料长度；β 为机械材料密度；A 为机械材料的截面积；α 为机械材料的残余应力[3]。将机械材料的各项数据输入到公式（1）中，根据谐振频率与残余应力的关系计算出机械材料的残余应力数值。

2.2 残余应力的机械材料超声波扫描

由于机械材料是由金属材料制作而成的弹塑性材料，材料的弹性性能与超声波传播速度有着较大的关系，且机械材料弹性模量和力学性能也具有着密切的关系，因此在分析完机械材料的残余应力后，本文利用超声脉冲法对残余应力的机械材料测量。超声脉冲法对残余应力的机械材料测量主要是利用超声设备向机械材料表面发射超声波，对残余应力的机械材料进行超声波扫描，再利用接收设备接收到残余应力的机械材料反射回来的超声波，通过对超声波波速、振幅、频率分析，确定残余应力的机械材料强度，强度是评价残余应力的机械材料疲劳耐久性主要指标，为最终的残余应力的机械材料疲劳耐久性检测评定提供数据依据，其具体扫描测量如下。

本文根据残余应力的机械材料疲劳耐久性检测需求，选择BN10 型号超声仪作为残余应力的机械材料扫描设备（如图1 所示），该设备测量精度高，且测量效率比较快，能够准确接收到残余应力的机械材料反射回来的超声波信号[4]。

图1 BN10 型超声扫描设备

将超声波信号发射装置放置在待测量机械材料上方，利用支架将其固定住；将超声波信号接收装置放置在待测机械材一侧。当信号发射装置向残余应力的机械材料表面发射超声波信号，信号通过机械材料，再返回到信号接收装置，利用HUU5858传感器接收到超声波发射时间、接收时间、传播速度等数据，根据测量得到的数据计算出残余应力的机械材料强度，其计算公式如下所示。

公式（2）中，S 表示为残余应力的机械材料强度；E 表示为超声波在残余应力的机械材料中的传播速度；y 表示为残余应力的机械材料弹性模量；r 表示为残余应力的机械材料泊松比；t表示超声波在残余应力的机械材料中停留时间；z 表示为残余应力的机械材料容重[5]。利用上述公式计算出残余应力的机械材料强度，用于残余应力的机械材料疲劳耐久性检测评定。

2.3 残余应力的机械材料疲劳耐久性检测评定

首先对残余应力和强度两个评定指标进行权重计算。以W表示残余应力的机械材料疲劳耐久性检测评定指标权重，结合两个指标实际值对残余应力的机械材料疲劳耐久性进行综合检测评定，其公式如下。

公式（3）中，P 表示残余应力的机械材料疲劳耐久性检测评定数值。该数值在0-1 之间，数值越接近1 则表示疲劳耐久性能越好；反之则表示疲劳耐久性能越差，以此完成残余应力的机械材料疲劳耐久性检测[6]。

3 实验论证分析

实验选取五种残余应力的机械材料为实验对象，实验利用本文设计技术与传统技术对该五种机械材料疲劳耐久性进行检测，实验中超声扫描仪参数设定如下：扫描频率设定为2.66Hz，扫描时间为0.56s，扫描周期为5.5s，扫描范围设定为1.5m。实验利用超声扫描仪测量到的机械材料强度分别为4.53MPa、5.42 MPa、3.16 MPa、8.43 MPa、2.42 MPa，根据扫描结果确定机械材料疲劳耐久性检测结果依次为一般、良好、良好、良好、较差。实验从两种技术检测开始计时，一直到检测结束之后，记录两种检测技术耗时，实验将其作为两种技术对比分析参考数据，如下表所示。

表1 残余应力的机械材料规格表

实验利用本文设计技术与传统技术对该五种机械材料疲劳耐久性进行检测，实验中超声扫描仪参数设定如下：扫描频率设定为2.66Hz，扫描时间为0.56s，扫描周期为5.5s，扫描范围设定为1.5m。实验利用超声扫描仪测量到的机械材料强度分别为4.53MPa、5.42 MPa、3.16 MPa、8.43 MPa、2.42 MPa，根据扫描结果确定机械材料疲劳耐久性检测结果依次为一般、良好、良好、良好、较差。实验从两种技术检测开始计时，一直到检测结束之后，记录两种检测技术耗时，实验将其作为两种技术对比分析参考数据，如下表所示。