新工科背景下應用型本科院校工藝參數測試技術之新應力檢測技術

【摘要】地方應用型本科院校響應新工科建設需求，部分傳統工科專業需要引入新技術促進向新工科專業轉化。本文針對應用型本科院校工藝參數測試技術課程教學內容的典型應力應變測試技術落后、課程實踐難度大、教學內容需要更新等問題，提出增加最新的超聲波應力檢測的原理、設備、技術等教學內容，提高學生興趣并增加學生自主學習能力，基于教學、實踐和科研相融合協同發展要求，進行技術革新，緊跟科技發展，加入最前沿的先進技術，將最先進的應力測試技術應用于石油管道、交通運輸、大型設備、機械等領域，更好地服務于地方經濟發展建設。

【關鍵詞】新工科? 工藝參數測試? 應力應變? 超聲應力檢測

【中圖分類號】G64 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）37-0177-02

教育部于2017年在復旦大學和天津大學召開了新工科研討會，形成了“復旦共識”和“天大行動”[1]。“新工科研究與實踐專家組工作會議”[2]上指出地方院校擔負著對接地方經濟發展，促進產業轉型升級的任務。

新工科建設對地方應用型本科院校提出新的要求，但是地方院校存在與地方經濟發展匹配不夠、適應性不強的問題[3]。地方高校應響應新工科要求，承接地方發展的需求，緊跟科技發展的腳步，主動調整專業課程，通過產學研項目，匹配地方產業升級需求，培養高質量技術人才，適應和服務地方經濟發展需求。

《工藝參數測試技術》是材料成型與控制、金屬材料壓力加工專業以及相關理工科專業的一門專業基礎課程，檢測技術的進步與設備和技術革新密切相關，是新工科背景下智能制造、新產業技術密切相關的關鍵課程，是非常需要將教學內容革新與時俱進的一門課程。該課程理論性強，需要較多的理論計算，同時對實踐動手能力要求也非常高。其中，應力應變參數是工業材料、設備及控制中最關鍵的參數之一。應力參數的檢測技術中重要的一塊內容就是通過應變片組電橋，通過應變儀得到應變量，再求得應力數據的方法，在實際教學中，學生反映學習困難，應變片組電橋，過程繁瑣、操作復雜，整個實踐過程困難，應用起來有局限性，無法測殘余應力。為此，本文針對新工科背景下人才培養的要求，探討在教學內容中添加新型超聲應力檢測技術，為地方應用型本科院校相關專業學科提供參考，為傳統功課專業升級培養人才提供思路。

一、《工藝參數測試技術》中應力應變測量技術教學現狀

《工藝參數測試技術》主要包括信號的分類、測試系統的基本特性、常用傳感器、信號變換及調理、隨機信號相關和功率譜分析、記錄及顯示儀等內容。其中，軋制成形是本校的特色方向，軋制工藝參數中的應力應變參數的測量就是教學授課中的講解重點，圍繞應變片的工作原理、電橋電路的工作原理、應變儀的使用及應力應變測量方法等內容展開，根據日常教學、學生反饋及老師自查，發現學生在學習該內容時遇到一些問題。如：課程內容側重于原理性介紹，理論性很強，涉及大量的知識點，學生學習起來困難，又缺乏實際的應用檢測環節，學生學習熱情不高。尤其應變花貼片組電橋等環節過程細致又繁瑣，后續的信號轉換處理涉及較多的數學公式、電路等，學生學習并真正應用起來還是比較困難。

應變片測應力技術屬于傳統的應力測量手段，應變片的工作原理是基于應變效應制作的，即導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應地發生變化。將應變片組成電橋電路，可以將應變片電阻值的變化轉換成易于處理的電流或電壓的變化，再進行標定等工作。該技術是廣泛應用的一種測應力應變的方法，但其本身應用上仍然有一定的局限性。例如，該方法無法測材料真實的應力，只能通過應變片的變化來反映材料所受應力，典型的局限性就是無法測殘余應力，而殘余應力是在材料鑄造、成形、機械加工及強化處理過程中產生的，一般是有害的，如果不適當的熱處理、焊接或切削加工后，會引起零件發生翹曲、扭曲變形甚至開裂。或經淬火、磨削后表面出現裂紋。

二、應力應變測量技術中加入超聲應力測試技術

針對基于應變效應的傳統應力應變測量技術出現的貼片、組電橋和數據處理過程的繁瑣以及無法測殘余應力等局限性，本文作者基于產學研項目與上海應力分析科技有限公司合作開發了基于臨界折射縱波的超聲應力分析測試系統，能夠在課程教學中引入超聲應力測試技術，該技術相比于X射線、盲孔法、磁粉法測應力具有明顯高精度的優勢，是目前非常先進的無損檢測應力新技術[4]。通過引入超聲應力測試技術，為傳統應變片法測應力技術升級，促進傳統應力測試技術向新應力測試技術轉型，而應力的測量在管道運輸、壓力容器、重型設備、橋梁建筑行業占據著重要的位置，隨著應力檢測新技術的引入，能夠培養一大批具有開闊視野、能力卓越的工程師科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力支持和人才保障。

超聲應力測試系統的硬件包括超聲探頭、楔塊、、超聲發射板卡和接收板卡等;軟件部分包括超聲波信號的發射、超聲信號的采集，信號的濾波、處理、計算及作圖等功能。

超聲應力測試技術的基本工作原理為：由超聲波發射板卡產生高壓脈沖，激發壓電陶瓷片產生超聲波，當超聲波以合適的入射角發射到介質表面時，會形成臨界折射縱波，即LCR波，通過超聲探頭接收LCR波，采集板卡接收到信號后對信號進行保存、發送和處理，并通過上位機計算出材料的應力值。

超聲應力測試設備一般采用便攜式設計，使用時探頭、楔塊上涂上耦合劑，測試方法有些類似醫院的B超，整個過程方便、快速、簡單，學生動手實踐容易很多，操作過程簡單培訓即可，可以更容易地理論與實踐相結合;相比傳統應變片優勢非常明顯，重點是該技術可以測實時應力，還可以測量殘余應力，這是傳統應變片測應力技術所不具備的。

三、超聲應力技術教學、實踐與科研融合的探討

超聲應力檢測系統部分課程的講授也主要圍繞超聲測試系統的搭建、超聲信號發生于接收傳感器、超聲信號的處理、記錄及顯示等幾部分展開，與本課程的課程目標和內容是高度重合的，非常容易融合進課堂教學中。本門課程是對我們學校金屬材料與金屬壓力加工方向的學生在大四上學期開設的課程，通過向學生在課程教授先進的超聲應力檢測技術，設置課內實驗課程，并基于自主開發的超聲應力檢測設備，開展實際的殘余應力檢測實驗，增加學生的動手能力，實現教學與實踐相結合。

同時，我們學校專業實習是有一周時間去周邊合作的熱處理廠進行專業實習，企業每天要熱處理幾十甚至上百種鋼材，主要的熱處理工藝就是進行淬火加高溫回火調質處理，其中工藝參數中的淬火硬化的處理會產生大量的殘余應力，殘余應力過大會導致變形甚至開裂，而企業當前只采用打硬度的方式來檢測淬火程度，而超聲應力檢測技術就是非常適合熱處理企業、為企業實現檢測技術升級、工藝技術改進升級的重要方案。我們目前正與企業進行超聲殘余應力相關科研項目的探討，建立合作項目協議，有望在后續的專業實習過程中，在生產現場實際應用超聲應力檢測技術，并且企業有上百種鋼材需要進行熱處理，會有較多的標定檢測等工作，能夠真正促進教學、實踐與科研的融合協同發展。

四、結論

本文針對工藝參數測試技術目前在應力應變的測量技術授課過程中存在的問題進行了分析，總結了學生在學習應變片法組電橋電路測應力技術時存在的問題，以及該方法無法測殘余應力的問題，提出了添加先進的超聲應力測試技術的方案措施，并介紹了該技術的基本原理、設備及優點，通過在授課內容中加入目前最先進的超聲應力測試技術，既能開闊學生的視野，增進學生的專業能力，該方法又非常適合實踐操作，能提高學生的實踐能力，而且殘余應力也是目前運輸、壓力容器、重型設備、橋梁建筑行業所急需又難以檢測的重要參數變量;并根據本校工藝參數測試技術授課現狀，結合本專業學生實習以及當地熱處理廠為實際例子，探討了教學、實踐與科研協同發展的可行性。通過新工科建設對我們地方院校特色工科方向的要求，不斷地進行技術革新，跟上科技發展的腳步，加入最前沿的先進技術，培養出適應社會需求的高質量新工科人才。同時教學改革是一個長期的過程，需要我們不斷探索與實踐。

參考文獻：

[1]“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究， 2017（1）：10-11.

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

[3]夏建國，趙軍. 新工科建設背景下地方高校工程教育改革發展芻議[J].高等工程教育研究，2017（3）：15-19.

[4]孫書博.增材制造構件超聲無損檢測系統的設計與研制[D].吉林大學，2020.

作者簡介：

周冰（1987年-），男，陜西人，漢族，博士，上海應用技術大學材料科學與工程學院，講師，研究方向：鋁合金半固態成型、超聲應力檢測技術。