ICSICS[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力電磁超聲檢驗方法（征求意見稿）202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施發(fā)布中關村材料試驗技術聯(lián)盟發(fā)布前言本文件按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。本文件由中國材料與試驗團體標準委員會無損檢測領域委員會提出。本文件由中國材料與試驗團體標準委員會無損檢測領域委員會歸口。本文件起草單位：鋼研納克檢測技術股份有限公司，馬鞍山鋼鐵股份有限公司軌道交通材料公司，太原重型機械集團有限公司軌道交通設備有限公司。本文件主要起草人：

無損檢測軌道交通材料機車車輛車輪殘余應力電磁超聲檢驗方法范圍本文件規(guī)定了鐵路機車車輛用新制成品整體車輪（以下簡稱車輪）殘余應力電磁超聲檢驗的原理、方法、人員、設備、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的周向殘余壓應力分布的檢測。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力趨勢的測量；也不能替代采用應變片法對輪輞殘余應力分布的測量，除非能夠證明應用本方法得到的結果與應變片法獲得的分布值相同。規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。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無損檢測通用術語和定義GB/T12604.1無損檢測術語超聲檢測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條件術語和定義GB/T20737和GB/T12604.1界定的以及下列術語和定義適用于本文件。雙折射效應birefringenceeffect由于應力造成聲彈性的非線性，橫波在金屬材料中傳播時沿主應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。電磁超聲換能器electromagneticacoustictransducer(EMAT)利用電磁感應效應將電振蕩轉換成聲能或相反的電磁裝置扁平（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。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。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。檢測原理和檢測方法圖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現(xiàn)電能-聲能轉換的技術。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力影響超聲波的傳播速度。利用彈性聲波的雙折射效應可以計算車輪輪輞中殘余應力的分布：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）式中考慮了徑向應力，但以往的測量結果表明，輪輞中的徑向殘余應力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力值σc，具體方法為：圖2輪輞殘余應力測量方法使EMAT垂直于內側輪輞（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tr（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周向殘余應力σ圖2輪輞殘余應力測量方法由上可知，采用EMAT方法測量的殘余應力，是輻射聲束在整個傳播路徑上的平均值。檢測人員按本文件進行檢測的人員應參考GB/T9445的要求經(jīng)過專門培訓。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級人員職責的要求。聲彈系數(shù)k的標定概述聲彈系數(shù)k的標定是基于壓力試驗機能夠產(chǎn)生標準壓縮應力值以及超聲橫波具有雙折射效應形成的，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力值來標定聲彈系數(shù)。標定試樣的制備聲彈系數(shù)的標定試樣應參照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壓應力標定試樣c）處理：采用GB/T16923所述的熱處理方法（退火時應保證金相組織不發(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力，使之成為零應力試件。標定用設備用于標定聲彈系數(shù)的設備包括壓力試驗機，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標定設備局部示意圖標定程序a）將EMAT垂直固定在試件側面的中部，并使橫波偏振方向垂直于試件受力方向。調節(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，應選擇盡量多的回波次數(shù)。c）將EMAT旋轉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定值，記錄相應的應力值σc和聲波傳播時間tc（測量的回波次數(shù)應與未加載時相同）。d）對記錄的各標定點的應力值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）壓應力值與聲波傳播時間的線性關系如圖5所示。圖5壓應力值與聲波傳播時間的線性關系檢測設備一般要求用于本標準規(guī)定的輪輞殘余壓應力檢驗系統(tǒng)，至少應包含專用橫波EMAT、換能器掃查裝置和殘余應力電磁超聲檢測儀。EMAT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。換能器掃查裝置換能器掃查裝置包括裝置外殼，使EMAT移動掃描的導軌，驅動EMAT在導軌上運行的司服系統(tǒng)，以及帶動EMAT原地旋轉的轉軸機構。檢測時，裝置外殼被固定在內側輪輞上；殼體中的導軌使EMAT沿徑向運動，以測量輪輞下不同深度處的殘余應力值；司服系統(tǒng)是驅動EMAT移動的動力和控制單元；轉軸機構由電機驅動使EMAT旋轉90°。殘余應力電磁超聲檢測儀殘余應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力值；溫度補償單元通過測量輪輞表面溫度，對殘余應力值進行修定；控制單元負責EMAT完成整個掃描檢測程序的全過程自動控制。殘余應力電磁超聲檢測儀除了能測量輪輞的殘余應力，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。檢測步驟檢測時機和條件8.1.1檢測應在車輪完成熱處理而產(chǎn)生周向殘余壓應力之后、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車輪處于直立或內側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側輪輞部位，并使裝置中的導軌方向沿車輪直徑方向。掃查裝置應固定牢靠，檢測中不能有振動和移動。8.2.2確定殘余應力檢驗區(qū)域：使EMAT沿導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，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，間隔測試點應與測試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tr值和tc值，分別計算出相應的殘余應力σc，并繪制出以輪輞深度為橫坐標、壓應力值為縱坐標的殘余應力分布曲線，且在儀器的顯示屏幕上顯示出來。8.2.6如果產(chǎn)品需要或客戶要求，可以在輪輞上選擇多個位置測量殘余應力的分布，并實施上述8.2.1～8.2.5的測量步驟。驗收依據(jù)Q/CR638標準要求，新制成品車輪在踏面表面附近的周向壓應力值應為80MPa～150MPa，零應力區(qū)應在踏面下35mm（磨耗到限處）至50mm之間。車輪踏面（滾動接觸基線）下的殘余應力分布如圖6所示。依據(jù)TJ/CL275A-2016文件的要求，對于材質為ER8、ER9、ER8C的車輪踏面表面