ICS21.060.01 CCSJ13 中华人民共和国国家标准 GB/T43232—2023 紧固件 轴向应力超声测量方法 Fasteners—Measurementmethodofaxialstressbyultrasonic 2023-11-27发布 2024-06-01实施 国家市场监督管理总局 国家标准化管理委员会发布前 言 本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国机械工业联合会提出。 本文件由全国紧固件标准化技术委员会(SAC/TC85)归口。 本文件起草单位:中机生产力促进中心有限公司、北京理工大学、武汉中科创新技术股份有限公司、 北京金风科创风电设备有限公司、江苏徐工工程机械研究院有限公司、中车株洲电力机车研究所有限公 司风电事业部、北京艾法斯特科技发展有限公司、杭州华新检测技术股份有限公司、北京国电电科院检 测科技有限公司、中物院成都科学技术发展中心、浙江海力股份有限公司、晋亿实业股份有限公司、哈电 风能有限公司、山东高强紧固件有限公司、中机研标准技术研究院(北京)有限公司、广东省特种设备检 测研究院中山检测院、武汉国检检测技术有限公司、明阳智慧能源集团股份公司、航天精工股份有限公 司、北京声时科技有限公司、中铁大桥局集团有限公司、苏州博昇科技有限公司、中船重工海为郑州高科 技有限公司、浙江裕泰汽车配件有限公司、东方电气集团东方电机有限公司、上海泛华紧固系统有限公 司、舟山市正源标准件有限公司、上海高强度螺栓厂有限公司、山西省机械产品质量监督检验站有限公 司、舟山市7412工厂、杭州戬威科技有限公司、河北五维航电科技股份有限公司、湖南中机申亿检测技 术有限公司、七丰精工科技股份有限公司、苏交科集团股份有限公司、国家电投集团科学技术研究院有 限公司、江苏华杰不锈钢制品有限公司、西北工业大学太仓长三角研究院、西南交通大学、上海兹懋仪器 科技有限公司。 本文件由全国紧固件标准化技术委员会负责解释。 ⅠGB/T43232—2023 引 言 螺栓的轴向应力关系到螺栓连接的可靠性,是螺栓安装和服役过程中需要控制的重要参数,轴向应 力过大会引起螺栓断裂,轴向应力过小会引起螺栓连接松动,因此需对螺栓连接的轴向应力进行检测和 监测[3,4]。工程领域中常用的螺栓紧固轴力检测方法包括力矩法、转角法、应变计法等[5,6]。目前,超声 法也得到了深入研究和越来越多的应用。 1953年美国田纳西大学的Hughes根据有限变形理论,研究了各项同性材料的声弹性,揭示了材 料中超声纵波和横波的传播速度对应力敏感的规律,建立了超声波测量应力的声弹性理论[7]。以声弹 性原理为基础,国内外学者对螺栓紧固应力的超声波检测模型和方法进行了大量研究[8-16]。刘镇清等 基于声弹性原理,建立了螺栓轴向应力测量模型[8]。何存富等研究了温度、扭转剪应力对螺栓轴向应力 超声测量的影响规律,并提出了修正方案[9,10]。徐春广等对横纵波联合测量螺栓紧固应力的模型进行 了研究[11,12,14]。潘勤学等提出了基于形状因子和材料因子的螺栓紧固应力超声检测模型[13]。 随着超声检测技术的发展,超声法测量螺栓轴向应力的方法在机械工业各领域的应用日益广泛,本 文件旨在规范超声法测量螺栓轴向应力的检测流程及相关事项。 ⅡGB/T43232—2023 紧固件 轴向应力超声测量方法 1 范围 本文件规定了螺栓、螺钉和螺柱轴向应力超声测量方法的原理、仪器、测量、数据处理和测量报告。 本文件适用于螺栓、螺钉和螺柱(以下简称螺栓)在装配过程中或装配后轴向应力的测量,及其在服 役状态轴向应力的动态原位监测。 本文件适用的螺栓: a) 单波:公称直径不小于5mm,双波:公称直径不小于12mm; b) 长径比不小于3∶1; c) 性能等级8.8级及以上; d) 声学各向同性材料; e) 轴向应力范围:(30%~90%)Rp0.2。 注1:具有特殊结构型式(如长度较短、空心、变径)或几何形状,以及性能等级8.8级以下的螺栓,参考本文件进行 超声波检测时可能达不到本文件规定的精度要求。 注2:对于(30%~90%)Rp0.2应力区间范围之外的情况,参考本文件进行超声波测量时可能达不到本文件规定的 精度要求。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文 件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于 本文件。 GB/T228.1 金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法 GB/T16823.3 紧固件 扭矩-夹紧力试验 GB/T16825.1 金属材料 静力单轴试验机的检验与校准 第1部分:拉力和(或)压力试验机 测力系统的检验与校准 GB/T18852 无损检测 超声检验 测量接触探头声束特性的参考试块和方法 GB/T20935.1 金属材料 电磁超声检测方法 第1部分:电磁超声换能器指南 GB/T38952 无损检测 残余应力超声体波检测方法 JJF(机械)1056 残余应力超声检测仪校准规范 3 术语和定义 GB/T16823.3、GB/T38952界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 标定螺栓 referencebolt 用于建立轴向应力与测量参数间关系,处于自由状态的试验用螺栓,其材料和型式尺寸与被测量螺 栓基本一致。 1GB/T43232—2023 3.2 零应力螺栓 zerostressbolt 利用声束控制法(见GB/T38811)或振动时效法(见GB/T25712)制备的内应力接近零的标定螺 栓(3.1)。 3.3 夹紧长度 clampinglength 装配后,螺栓、螺母支承面或机体表面与螺母支承面之间的距离。即:螺栓或螺钉与螺母连接时,螺 栓或螺钉头部支承面至螺母支承面之间的距离;螺柱与机体或螺母连接时,两螺母支承面之间的距离或 机体表面与螺母支承面之间的距离。 注:螺栓紧固后,产生轴向应力的长度通常按夹紧长度加螺栓头部厚度的一半和螺母高度的一半进行计算。 3.4 声时 timeofflight 超声脉冲传播通过某段材料所用的时间。 3.5 声时差 timedifferenceofflight 材料应力变化引起的超声传播时间的变化量。 3.6 应力系数 stresscoefficient 表征声时差与材料应力关系的系数。 4 符号 下列符号适用于本文件。 As,nom 螺纹公称应力截面积,单位为平方毫米(mm2); F 紧固轴力,单位为牛顿(N); KL 紧固件材料的纵波应力系数; KS 紧固件材料的横波应力系数; Rp0.2 机械加工试件的规定塑性延伸率为0.2%时的应力,单位为兆帕(MPa); TL σ应力时纵波在紧固件长度内的传播声时,单位为秒(s); TL0 无应力(自由状态)时纵波在紧固件长度内的传播声时,单位为秒(s); TS σ应力时横波在紧固件长度内的传播声时,单位为秒(s); TS0 无应力(自由状态)时横波在紧固件长度内的传播声时,单位为秒(s); αS 横波温度系数; αL 纵波温度系数; θ 测量应力状态声时的温度,单位为摄氏度(℃); θ0 测量无应力状态声时的温度,单位为摄氏度(℃); σ 轴向应力,单位为兆帕(MPa)。 5 原理 5.1 物理原理 依据材料声弹性原理和胡克定律,螺栓轴向应力引起的声速变化及螺栓长度变化,共同导致超声波 2GB/T43232—2023 沿其轴向传播的声时发生变化。因此,可通过单波法或双波法测量螺栓加载前后的声时,计算出螺栓的 轴向应力,进而根据螺纹公称应力截面积获得紧固轴力。 5.2 单波法测量原理 单波法通过测量单一波型的超声脉冲在螺栓施加应力前和施加应力后沿其轴向传播的声时,间接 测量轴向应力,见图1。 图1 单波法测量原理示意图 以纵波为例,螺栓的轴向应力变化与纵波沿螺栓轴线方向的传播声时变化之间的关系见公式(1): σ=KLTL-TL0 TL0…………………………(1) 通过标定螺栓的纵波应力系数KL,测量被测螺栓无应力状态下超声纵波在其中的传播声时 TL0,测量被测螺栓σ应力状态下超声纵波在其中的传播声时TL,即可由公式(1)计算得到螺栓中的轴 向应力σ。 5.3 双波法测量原理 双波法通过测量纵波和横波两种波型超声脉冲沿螺栓轴向传播的声时,间接测量轴向应力,见 图2。 图2 双波法测量原理示意图 由螺栓的轴向应力变化与纵波、横波声速变化之间的关系,可得螺栓的轴向应力变化与纵波、横波 在螺栓中传播声时变化的关系,见公式(2): σ=(TS/TL)-(TS0/TL0) 1/KS(TS0/TL0)-1/KL(TS/TL)……………………(2) 通过标定螺栓材料的纵波应力系数KL和横波应力系数KS,及无应力状态下超声纵波在螺栓中的 传播声时TL0和超声横波在螺栓中的传播声时TS0,实测时,利用仪器测量σ应力状态下超声纵波在螺 栓中的传播声时TL和超声横波在螺栓中的传播声时TS,即可由公式(2)计算得到螺栓中的轴向应 3GB/T43232—2023 力σ。 可根据测量和精度要求,在公式(2)基础上进行修正和补偿。 6 仪器 6.1 一般要求 螺栓轴向应力超声测量仪器应至少包括体波检测探头、螺栓轴向应力超声体波检测仪和温度传感 器,如图3所示。 系统测量误差应不大于±5%。 螺栓轴向应力超声体波检测