陶一軍,項(xiàng)興華，張一可,李德紅,雷怡俊,王志武

(1.國網(wǎng)浙江緊水灘電廠，麗水 323000;2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072)

35CrMo鋼是一種優(yōu)質(zhì)的調(diào)質(zhì)鋼，其使用較為廣泛，常用于制造大型機(jī)械部件中的連接螺栓，如水輪機(jī)上下渦殼螺栓、汽輪機(jī)汽缸螺栓、法蘭螺栓等[1-2]。螺栓所受的預(yù)緊力為軸向彈性應(yīng)力，在緊固和拆卸過程中，螺栓預(yù)緊力常常存在不足或過盈的問題。螺栓預(yù)緊力不足會導(dǎo)致連接不充分，可能產(chǎn)生相對滑動(dòng)和密封不嚴(yán)的問題；緊固過盈，螺栓則會產(chǎn)生塑性變形，若承受沖擊作用，可能會導(dǎo)致螺紋根部產(chǎn)生裂紋,甚至發(fā)生斷裂，引起重大事故。因此,在螺栓緊固、拆卸和運(yùn)行過程中要準(zhǔn)確地測定螺栓的實(shí)際應(yīng)力值。

超聲波應(yīng)力檢測法是以聲彈性原理為基礎(chǔ)的一種簡潔、快速、無損的應(yīng)力測量方法[3],其通過試驗(yàn)建立彈性應(yīng)力與超聲縱波和橫波聲速的數(shù)學(xué)關(guān)系來測定彈性應(yīng)力大小。孫國峰[4]研究了超聲波檢測橋梁上關(guān)鍵部位的螺栓的應(yīng)力，并提出了溫度影響標(biāo)定曲線的修正方法，認(rèn)為修正后的曲線測量精度滿足現(xiàn)場要求。陳遠(yuǎn)林[5]提出了一種基于sinc函數(shù)內(nèi)插的超聲波檢測模型，用于測量航空發(fā)動(dòng)機(jī)上連接法蘭孔小尺寸螺栓的應(yīng)力，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。PAN等[6]提出了新的影響因子用于修正軸向應(yīng)力分布不均對測量結(jié)果產(chǎn)生的誤差，并結(jié)合有限元仿真和標(biāo)定試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了螺栓特性曲線的快速標(biāo)定。

文章以某水電廠水電機(jī)組蝸殼35CrMo鋼螺栓為研究對象，通過多個(gè)試樣在彈性范圍的拉伸試驗(yàn)，測定了超聲縱波和橫波在螺栓內(nèi)的傳播時(shí)長，建立超聲橫波與縱波的傳播聲時(shí)與應(yīng)力的關(guān)系，為利用超聲波實(shí)時(shí)測定螺栓緊固力提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試樣材料為35CrMo鋼，尺寸為24 mm×138 mm(螺紋直徑×長度)，共7個(gè)試樣，均在經(jīng)860 ℃油淬+510 ℃回火調(diào)質(zhì)處理后，進(jìn)行金相組織觀察、拉伸試驗(yàn)和超聲波測定。首先，利用武漢中科創(chuàng)新HS 1020型超聲波應(yīng)力檢測儀，測定7個(gè)待測定試樣在未受軸向應(yīng)力狀態(tài)下的超聲縱波與橫波的聲速比，標(biāo)定為R0。然后選取2個(gè)試樣進(jìn)行軸向拉伸，直至斷裂，測定35CrMo鋼的屈服極限和斷裂強(qiáng)度及其對應(yīng)的拉力值。屈服之前，鋼材處于彈性變形階段，因此，將屈服強(qiáng)度對應(yīng)的拉力值確定為超聲縱波、橫波測定時(shí)的最大施加力，施加力的范圍小于該最大力。將專用探頭固定于35CrMo鋼試樣頂端，并安裝于拉力試驗(yàn)機(jī)上，在小于之前確定的最大施加力范圍內(nèi)，從0 kN開始加力，每隔50 kN停留2 min，測定超聲縱波、橫波的傳播時(shí)長，計(jì)算超聲縱波與橫波聲速的比值，共計(jì)測定5個(gè)試樣，取其平均值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。選取相同的4個(gè)試樣，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)力值測定和超聲波測定，以分析超聲波測定應(yīng)力的誤差范圍。

2 檢測原理

鋼材在軸向拉伸的彈性變形階段，晶格會產(chǎn)生微量變形，對超聲縱波與橫波的傳播速度產(chǎn)生影響；通過測定不同彈性應(yīng)力下的縱波與橫波的聲速比，依據(jù)聲彈性公式[7]可以計(jì)算出其所受的彈性應(yīng)力，建立彈性應(yīng)力與縱波與橫波聲速比的關(guān)系。聲彈性公式為

(1)

式中：vl，vt分別為超聲縱波與橫波在螺栓內(nèi)的傳播速度；CR為聲速比聲彈性系數(shù)；σ為鋼材的軸向應(yīng)力。

超聲波在鋼材內(nèi)部的傳播速度不易準(zhǔn)確測定，因此，超聲縱波與橫波聲速比不能準(zhǔn)確確定，但被測鋼材的長度是確定的，超聲縱波與橫波的聲速比就等于橫波與縱波的傳播時(shí)間之比，即聲時(shí)比。測定時(shí)，可以獲得超聲橫波與縱波由試樣一端發(fā)射經(jīng)另一端反射回來的傳播時(shí)長，根據(jù)試樣長度，計(jì)算得到縱波與橫波的聲速比，進(jìn)而計(jì)算出軸向彈性應(yīng)力[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 金相組織結(jié)果

利用蔡司Axio Lab.A1型金相顯微鏡對螺栓材料進(jìn)行金相組織觀察，其顯微組織如圖1所示。

圖1 35CrMo鋼金相顯微組織

由圖1可以看出，35CrMo鋼試樣經(jīng)過調(diào)制處理后，組織狀態(tài)良好，為回火索氏體。

3.2 力學(xué)性能結(jié)果及拉力范圍的確定

35CrMo鋼拉伸獲得的拉力和強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示。

表1 35CrMo鋼強(qiáng)度指標(biāo) kN·MPa-1

由表1可知，35CrMo鋼的屈服強(qiáng)度平均值為664.24 MPa，對應(yīng)的拉力為300.49 kN。當(dāng)拉力小于300.49 kN時(shí)，鋼材處于彈性變形范圍內(nèi)，因此，試驗(yàn)加力范圍為0～300 kN。實(shí)際測定時(shí)，在拉力為0，50，100，150，200，250，300 kN時(shí)，進(jìn)行超聲縱波和橫波傳播時(shí)長的測定。

3.3 螺栓標(biāo)定曲線建立及分析

35CrMo鋼超聲波傳播時(shí)長測量結(jié)果如表2所示，計(jì)算得到的聲時(shí)比如表3所示。利用表3中的數(shù)據(jù)和對應(yīng)的拉力，進(jìn)行單組數(shù)據(jù)和取平均值后的超聲橫波和縱波聲時(shí)比-應(yīng)力關(guān)系擬合，擬合結(jié)果如圖2，3所示。

表2 35CrMo鋼螺栓超聲波傳播時(shí)長測量結(jié)果

表3 35CrMo鋼螺栓超聲橫波聲時(shí)與縱波聲時(shí)比計(jì)算結(jié)果

圖2 各35CrMo鋼螺栓試樣的聲時(shí)-應(yīng)力關(guān)系曲線

圖3 取平均后35CrMo鋼螺栓試樣的聲時(shí)-應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖2，3可知，在彈性變形范圍內(nèi)，35CrMo鋼螺栓的超聲波聲時(shí)比會隨著彈性應(yīng)力的增加而下降，同一個(gè)試樣所受到的軸向彈性應(yīng)力與聲時(shí)比滿足式(1)中的線性關(guān)系；圖上每一條直線的斜率和截距都有所差異，這可能與該批次螺栓機(jī)加工精度、試驗(yàn)時(shí)外部環(huán)境溫度及螺栓材料組織均勻程度等因素有關(guān)[9]。取平均值后，得到35CrMo鋼螺栓的聲時(shí)-應(yīng)力關(guān)系曲線表達(dá)式為

σ=-49 943.118Sl/St+90 393.469

(2)

式中：Sl/St為橫波與縱波聲時(shí)比；曲線斜率表示聲速比聲彈性系數(shù)的倒數(shù)；截距表示未受軸向應(yīng)力時(shí)縱波與橫波的聲速比與聲速比聲彈性系數(shù)的比值。

3.4 實(shí)際螺栓驗(yàn)證及誤差分析

為了驗(yàn)證所得出的彈性應(yīng)力-聲時(shí)關(guān)系模型的準(zhǔn)確性，選取同一批次的4組試樣，隨機(jī)選擇試驗(yàn)力大小，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)力測定和超聲應(yīng)力測定，并計(jì)算相對誤差，結(jié)果如表4所示。

表4 螺栓應(yīng)力檢測值及誤差

由表4可知，超聲橫波與縱波測定的應(yīng)力值與實(shí)際應(yīng)力值之間的誤差為0.04%～2.08%，滿足工程要求。

4 結(jié)論

(1) 35CrMo鋼試樣經(jīng)過調(diào)制處理后，其金相顯微組織狀態(tài)良好，為回火索氏體。

(2) 在彈性變形范圍內(nèi)，35CrMo鋼螺栓超聲縱波和橫波聲時(shí)比與彈性應(yīng)力之間呈線性關(guān)系，曲線表達(dá)式為：σ=-49 943.118Sl/St+ 90 393.469。

(3) 利用超聲縱波與橫波測定的應(yīng)力值與實(shí)際應(yīng)力值的誤差為0.04%～2.08%，滿足工程要求。