（机械工程专业论文）基于临界折射纵波的残余应力检测研究.pdf

煳愀基于临界折射纵波的残余应力检测研究材料表面和内部的残余应力对构件的可靠性和寿命有重要影响，定量无损检测构件内部残应力检测手段，超声波检测法以其独特的优越性，近年来得到了快速的发展。超声波检测残余应力基于声弹性效应，通过测定声波的传播速度，可以较好地反映出构件的表面和内部残余应力。另一方面，超声波检测法也可以应用于测定构件应力的实用技术中。本文对超声波临界折射纵波的产生机理和特性进行了理论研究，对现有的各种残余应力测量方法进行分析比较，在此基础上对基于临界折射纵波的超声波应力测量的基本原理进行了系统的研究，并推导出应力改变量与应力常数和声时差之间的关系，同时对影响超声波应力测量精度的材料织构、组织、温度、工件表面状态、耦合剂和耦合位置等影响因素分别进行了分析。建立了一套采用“一发两收”模式的基于临界折射纵波的超声波应力测量系统，用于轧辊表面残余应力的测量和分析。开发了一套超声波应力测量分析软件，对应力常数进行标定以及研制一套超声应力常数的标定装置，对不同材质的材料进行应力常数标定。对5 c r 钢和球墨铸铁二种材料的应力常数进行了测定。临界折射纵波在每种材料中传播速度的变化量与材料中应力的改变量具有线性关系，但不同材料的应力常数存在一定的差别。研制了可对轧辊进行现场应力测量的超声波探头装置。该装置与超声波应力测量系统配套使用，得到了较为理想关键词：残余应力；超声波应力测量；临界折射纵波；应力常数；x 射线衍射法；盲孑l 法r e s e a r c ho nr e s i d u a ls t r e s st e s t i n gb a s e do nt h er i t i c a lr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v ea b s t r a c tr e s i d u a ls t r e s sd o e sg r e a t l ye f f e c to i ls e c u r i t ya n ds e r v i c el i f eo fc o m p o n e n t so c c u r r e di n t e r i o ra n de x t e r i o ro fm a t e r i a l i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rg u i d i n gc o m p o n e n t su s a g et om e a s u r et h ed i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s sn o n d e s t r u c t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y a n dn o wm a n ym e t h o d sh a sb e e nu s e dt od e t e c tr e s i d u a ls t r e s s a sa na d v a n c e dt e c h n o l o g y , t h et e c h n i q u eu s e du l t r a s o n i ct ot e s tr e s i d u a ls t r e s sh a sd e v e l o p e dq u i c k l yr e c e n t l yb yr e a s o no fi t su n i q u ea d v a n t a g e b a s e do na c o u s t o - e l a s t i c i t y , t h i st e c h n i q u ec a nd e t e c ti n t e r i o ra n de x t e r i o rs t r e s so fc o m p o n e n t s o nm eo t h e ri l a n d ，i tc a na l s ou s et ot e s ta p p l i e ds t r e s s ，i nt h i sp a p e r , c o m p a r e da n da n a l y z e dw i t ht h ee x i s t i n gr e s i d u a ls t r e s sm e a s u r i n gt e c h n i q u e s ，a nu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h ec r i t i c a lr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a l ( l c r ) w a v ei sp u tf o r w a r da n du s e dt om e a s u r et h es t r e s so ft h ef i e l dr o l l e r t h em e c h a n i s mo fp r o d u c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i st e c h n i q u ew a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h e nt h ef u n d a m e n t a lo ft h i st e c h n i q u ew a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h ev a r i a t i o no fs t r e s s ，t h es t r e s sc o n s t a n ta n dt h ev a r i a t i o no fu l t r a s o n i ct r a v e lt i m ew a sd e d u c e d f a c t o r si n f l u e n c e du l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yw e r ea n a l y z e d ，m a i n l yi n c l u d i n gm a t e r i a lt e x t u r e ，m a t e r i a lo r g a n i z a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，s u r f a c es t a t eo fw o r kp i e c e ，c o u p l a n ta n dp l a c eo fc o u p l i n g a nu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h el c rw a v e ，w h i c ha d o p tt h em o d eo f“o n es e n d i n ga n dt w or e c e i v i n g ”，w a ss e tu pt om e a s u r ea n da n a l y z et h er e s i d u a ls t r e s so ft h er o l l e rs u r f a c e t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt oc a l i b r a t es t r e s sc o n s t a n t sa n dt oa n a l y z ea n dc o n t r a s tm e a s u r i n gr e s u l t so nt h er e s i d u a ls t r e s so ft h er o l l e rs u r f a c e as e to fa r r a n g e m e n tc a l i b r a t i n gu l t r a s o n i cs t r e s sc o n s t a n t su s e dt oc a l i b r a t et h es t r e s sc o n s t a n t so fr o l l e r sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l sw a sd e v e l o p e d t h es t r e s sc o n s t a n to ft w ok i n d so fm a t e r i a l ，s p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o na n ds t e e l5 c r , w a st e s t e dr e s p e c t i v e l y t h ev e l o c i t yo ft h el c rw a v et r a v e l i n gi ne a c hm a t e r i a lh a dal i n e a rr e l a t i o n s h i pc o r r e s p o n dt ot h es t r e s s b u tt h es t r e s sc o n s t a n t so fd i f f e r e n tm a t e r i a lp r e s e n ts o m ed i f f e r e n c e s a nu l t r a s o n i cp r o b ea r r a n g e m e n tt om e a s u r et h es t r e s so ff i l e dr o l l e rw a sd e v e l o p e da n du s e dw i t ht h eu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gs y s t e r m t h er e s u l t so fr e s i d u a ls t r e s sm e a s u r i n gw e r er e l i a b l e t h es t r e s so fc i r c u l a rf i a t p l a t e5 c rw a st e s t e dw i t ht h eu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r e m e n tm e t h o da n do t h e rt w om a t u r em e t h o d s 亿e x r a yd i f f r a c t i o nm e t h o da n dp i nh o l em e t h o d )r e s p e c t i v e l y c o n t r a s t e dt h r e em e a s u r i n gr e s u l t s ，i ts h o w st h eu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gm e t h o db a s e do nt h ec r i t i c a lr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v ec a nb eu s e dt om e a s u r et h es t r e s so fr o l l e r k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r i n gm e t h o d ；r e s i d u a ls t r e s s ；c r i t i c a lr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v e ；s t r e s sc o n s t a n t ；x r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d ；p i nh o l em e t h o d浙汀工业大学硕士学侥论文目录第l 章绪论11 1 超声波概述：11 1 1 超声波的波型种类。l1 1 2 超声波的产生和接收31 2 残余应力测量研究现状41 2 1 机械测定法41 2 2 物理测定法51 3 超声检测技术中的研究热点一1 01 3 1超声波测应力技术1 l1 3 2声弹性检测1 11 3 3 表面波测应力技术一1 21 4 本文主要研究内容1 3第2 章残余应力的产生及影响1 52 1 残余应力的产生1 52 22 3第3 章3 13 23 32 1 1 产生残余应力的机理1 52 1 2 残余应力的类型1 72 1 3 残余应力的主要成因l7残余应力对构件强度的主要影响1 72 2 1残余应力对静强度的影响1 82 2 2 残余应力对疲劳强度的影响182 2 3残余应力对脆性失效、应力腐蚀开裂的影响1 9本章小结1 9基于临界折射纵波的应力测量理论研究2 0临界折射纵波的产生与特性2 03 1 1临界折射纵波的产生2 03 1 2 临界折射纵波的特性2 2临界折射纵波测应力的基本原理2 33 2 1临界折射纵波测应力基本原理2 33 2 2 临界折射纵波探头的基本工作原理一2 6影响测量精度的因素分析2 83 3 1织构2 83 3 2 材料组织厶2 83 3 3 温度2 8浙江工业大学硕十学位论文3 3 4 工件表面状态2 93 3 5 耦合剂2 93 3 6 耦合位置2 93 4 本章小结：3 0第4 章应力测量系统的硬件与软件3 14 1应力测量系统的建立3 14 1 1应力测量系统硬件组成3 14 2 信号采集与数据处理一3 84 2 1采样参数设置3 84 2 2 数字滤波器设计3 94 2 3 分段逐次线性插值4 24 2 4 过零点法4 34 3临界折射纵波测应力系统的软件开发4 34 3 1 应力测量软件的开发平台4 34 3 2 应力测量软件的基本功能要求4 44 3 3 各主要功能项含义4 44 4 本章小结4 6第5 章基于临界折射纵波的应力测量实验分析4 85 1相关因素对应力测量结果的影响4 85 1 1探头频率与试样不同的典型波形图4 85 1 2 轧辊静态和动态重复性试验结果及分析6 25 1 3相关因素对应力测量结果的影响6 45 2 应力常数的标定试验一6 65 2 1试验材料6 65 2 2 试样制各6 75 2 - 3 试验设备一6 75 2 4 试验过程与数据处理6 85 3 各种残余应力测试方法的对比试验研究7 15 3 1超声波法715 3 2x 射线衍射法一7l5 3 3 盲孔法7 35 3 。45 c r 圆板上试验结果及分析7 55 4 本章小结7 9浙，t 工业大学硕士学位论文第6 章总结与展望8 06 1 本文主要结论8 06 2 本文的主要创造性工作：8 06 3 课题展望8l参考文献8 2攻读硕士期间承担的主要科研任务与主要成果8 8致谢8 9浙江工、比大学硕士学伊论文第1 章绪论1 1 超声波概述声学是物理学的一个分支。上世纪7 0 年代初，国际上一些著名物理学家在展望物理学发展前景时，曾指出：“声学在物理学中是外在性最强、然而也是研究得最不充分的一个分支”。这表明，声学尚有十分广阔的领域有待我们去研究和开发应用。根据人耳对声波的响应不同，从频率范围而言，把声波划分为次声( 1 6 h z 以下) 、可听声( 1 6 h z 2 0 k h z ) 和超声( 2 0 k h z 以上) 。到目前为止，人们研究的声波频率范围已从1 0 4 到1 0 1 3 赫兹，覆盖1 7 个数量级，超声波以直线方式传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。因此，利用超声波的这种性质可制成超声波传感器13 j 。超声学是声学发展中最为活跃的一部分，超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损评价与检测、医学诊断及微电子学等领域发挥着不可替代的独特作用。与此同时，超声波作为一种能量形式，通过它与传声媒质互相作用而产生的种种效应，已在物理、化学、生物及医学等基础研究和应用技术中展示出十分广阔的前景。1 1 1 超声波的波型种类超声波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的，它分为纵波、横波、表面波( 瑞利波) 和板波等。1 ) 纵波弹性介质当受到交替变化的拉应力和压应力作用时，就相应地产生交替变化地伸长和压缩变形，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播。此时介质质点的振动方向和波动的传播方向相同，这种波称为“纵波”。任何弹性介质在体积变化时都产生弹性力，所以纵波可以在任何弹性介质( 固体、液休、气体) 中传播。由于纵波的发生与接收都比较容易，因而在工业探伤中得到了广泛的应用。浙江工业大学硕七学位论文( a ) 纵波( b ) 横波图1 1 横波与纵波的产生示意图临界折射纵波是一种特殊情况下激发的纵波，它是纵波以第一临界角入射时产生的特殊模式，它在试件表层一定深度内传播，它具有表面波和体波的特性，并且在一些特殊应用方面具有比传统的表面波和体波更加优越的性能。2 ) 横波固体介质中除具有体积弹性外，还具有剪切弹性。固体介质当受到交变的剪切力作用时，将会相应地发生交变的剪切变形，介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播，此时介质质点的振动方向和波的传播方向垂直，这种波称为“横波”，又称“剪切波液体和气体由于没有剪切弹性，所以液体和气体内部只能传播纵波，而不能传播横波和具有横向振动分量的其它波。3 ) 表面波( 瑞利波)固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面的质点发生相应的纵向振动和横向振动。结果使质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆振动，椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面传播，这种波称为表面波。图卜2 所示为表面波传播示意图。图中给出了瞬时的质点位移状态，右侧为椭圆表示质点振动的轨迹。由图可知，它在固体表面( x y 平面) 沿x 方向传播。质点只在x y 平面内作椭圆振动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。实践和理论证明，当表面波传播的深度等于两个波长时，质点振动的振幅已经很小了，因此可以认为表面波探伤时只能发现距工件表面两个波长深度范围内的表面缺陷。浙江工业大学硕士学位论文y图1 2 表面波4 ) 板波在板状介质中传播的弹性波称为板波。板波受板面的影响，当频率、板厚、入射超声速度之间满足一定的关系时，声波就顺利通过，狭义地讲，板波仅指板中传播的兰姆波，广义地讲也包括圆棒、方钢和管道中传播的波。如果根据质点振动情况分类，当质点振动方向与界面时，反射波仍然是s h 波。s h 波如果射向薄板，就在薄板中产生s h 型板波。如在板中传播的波中既有振动方向与板面垂直的横波( 简称s v 波) 又含有振动方向与板面平行的纵波( 简称p 波) 时，这种板波叫兰姆波，兰姆波中质点实际上是做椭圆形运动。1 1 2 超声波的产生和接收人们早就知道，许多动物能发出超声并应用它进行探测，如陆上和空中的鼠类、昆虫、蝙蝠及水中的鲸类和豚类等。研究动物的超声现象，目的不仅是揭示自然界的奥秘，更重要的是掌握超声的普遍规律，并将其广泛应用于各个领域。经过百余年的探索，在各方面应用及最新技术( 如无线电、激光、计算机、新材料等) 的推动下，超声技术己在各个领域起到了不可替代的作用。现在，可以说人们已经掌握了产生、接收各种所需频率、频谱、声强、功率、波型及波形超声的方法、技术和设备。具体说，就是利用各种超声换能器，将其它形式的能量，如机械能、电磁能、光能等，转化为超声振动能量并向各种媒介中发射，然后利用超声接收器( 包括具有可逆效应的上述换能器) 将超声场的各种声信号转换为便于处理的电信号或光信号，通过各种显示终端，变为可见指示。超声的产生和接收可以分为接触式和非接触式，一般传统的超声检测技术均属于接触式的，这里所谓传统接触式是指在超声探头和被检工件之间要使用藕合介质( 油脂、软膏、水等) 使得声能达到较好的传输。在这种技术中，首先对于被检工件的表面光洁度一般是有较高的要求的；其次，藕合层的状况对于检测过程至关重要，3术、干会议一国的残余应力工作者每次均踊跃参加。跨国的研究也不少，例如在英国发生多起火车事故后，u m i s t , s a l f o r d 和m a n c h e s t e r 等大学在有关当局的资助下已合作研究残余应力对钢轨疲劳强度的影响，其中部分实验更是与法国的一些科研机构共同进行的。在亚洲，日本也有不少关于残余应力的研究在进行。在我国，从己发表的文献数量以及我国人员参与国际会议的情况来看，我国对残余应力的研究仍然偏少，但重视程度已日益增加1 3 6 。随着我国工业的高速发展，由残余应力引起的问题将更加突出。残余应力的测量国内外均已开展多年，其测定方法有多种，可归结为机械测定法和物理测定法【3 7 8 】两大类。1 2 1 机械测定法机械测定法主要有机械释放法、硬度法、冲击压痕法、云纹干涉法。机械释放法【9 。2 】目前用得最多的是钻孔法( 盲孔法) ，其次还有针对一定对象的环芯法。机械释放法的具体做法是在平衡状态下的原始应力场上利用机械方法，使金属内的应力得到释放，通过测定由此引起的位移或应变来确定待测构件的原应力场的应力值。机械释放法测定残余应力的优点是：现有技术成熟，理论完善，其中小直径盲孔法因对工件损伤较小、测量较可靠，已成为现场实测的一种标准试验方法( 见a n s i a s t me 8 3 7 2 0 0 1 ) 。其缺点是：在进行残余应力测定时，会对被测构件造成一定的损伤，故在实际应用中对某些关键部件常难以采用：再者采用该方法进行测定时，由于需要粘贴专用箔式应变计和利用钻孔装置( 或回转喷砂打孔装置)浙江工、j k 大学硕十学位论文对被测构件打孔，操作繁琐而费时。硬度法1 1 3 , 1 4 是基于应力将改变物体硬度的原理实现的。该方法是根据固定载荷作用下残余应力状态与压痕直径之间具有的特定关系拉应力使硬度值下降，压应力使硬度值升高，即残余应力与洛氏硬度间近似呈反比的关系，来确定被测构件的残余应力分布。硬度法的优点是：破坏性小，测量迅速、方便。缺点是：其测量精度很大程度上依赖于压痕直径的测量；另外，被测构件的塑性变形、材料的不均匀性及其表面状态等不确定因素均会对测量结果造成影响。冲击压痕法 1 5 - 1 7 是近几年出现的一种新型残余应力测量方法，该方法是在硬度法的基础上发展出来的，其具体做法和应力释放法相反，它是通过叠加一个附加应力场，根据叠加应力场引起的应变叠加增量计算原始残余应力。该方法的优点是：与钻孔法( 盲孔法) 相比由于不需对被测构件打孔，操作起来相对要简单一些；另外冲击压痕的直径和深度一般在1 2 m m 0 2 r a m 左右，对被测构件的表面破坏也较小。其缺点是：冲击压痕法要对被测构件粘贴专用箔式应变计，操作上也较为复杂；再有采用该方法时由于在压痕周围会产生范围不确定的塑性区，压痕产生的塑性区进入应变敏感元件的测试区，将对测量结果产生重大影响，但若应变敏感元件的测试区过分远离压痕塑性区边缘，又将导致测量精度的大幅下降。云纹干涉及其相关技术测定残余应力是利用测定构件表面的位移和变形来进行的，在测定时必须使构件内的应力释放才能利用该技术，因此也属于破坏性的方法。1 2 2 物理测定法物理测定法主要有x 射线衍射法、中子衍射法、扫描电子声显微镜、磁弹性法、超声波法，这些方法均属于无损测量方法。1 2 2 1x 射线衍射法x 射线衍射法0 8 - 2 0 1 依据x 射线衍射原理( 即布拉格定律) ，把宏观上可以准确测定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关系，这样材料中的应力所对应的弹性应变必然可表征为晶面间距的相对变化。当材料中有应力g 存在时，其晶面间距d 必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2 e 也会相应改变。因此有可能通过测量衍射角2 0 随晶面取向不同而发生的变化来求出应力o 。该方法可测定出宏观残余应力，是一种现有技术成熟、理论完善的现场实测用标准试验方法( 见g b 7 7 0 4 1 9 8 7 和a n s i a s t me 1 4 2 5 1 9 9 4 ) 。它的缺点是：由于x 射线的穿透力有限，测定的表面层深度仅为1 0 - - - 3 5l am ，再者对被测定构件的表面状况有较严格的要求，测定时也要格外小心谨慎，否则都可能给测定结果带来较大的测量误差。浙江工业大学硕十学位论文= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i i i i ii i一一1 = = = = =1 2 2 2 中子衍射法中子衍射法【2 0 】主要是利用材料晶格常数的变化来推算出物体的应力状态。该方法是一种可以直接获得构件内部残余应力的无损测量方法，但是，被测物体要根据中子源仪器的状况而受到一定限制。由于每次必须测得在自由状态下的晶体晶格原子面间距或掠射角( 也称作布拉格角) ，因此，在实际结构中的直接应用存在许多困难。但是，对于实验用小试样或教学用的实物模型，用中子法测量残余应力不失为一种有效的手段。同时中子法测量残余应力还可以避免织构的影响。1 2 2 3 扫描电子声显微镜扫描电子声显微镜 2 1 - 2 2 ( s e a m ) 适合对不透明材料中的残余应力进行无损测定，与x 射线衍射技术相比，它的穿透能力较强，可用于无损定征构件亚表面残余应力，由于该方法分层成像能力独特，可揭示出残余应力在深度方向的分布状况，使得测定残余应力的三维分布成为可能。该技术采用热波成像原理，利用热波在试样中的传播对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像，它能反映出光学和电子显微镜不能反映的材料表面及亚表面特征。扫描电子声显微镜虽然可以对金属材料中由塑性变形引起的残余应力分布进行观察，但由于从电子声信号的产生到接收是一个复杂的物理过程，关于残余应力分布对电子声信号作用的机理及其理论模型目前还处于探讨阶段，尚需进行进一步的深入研究。1 2 2 4 磁弹性法和巴克豪森噪声法磁弹性法和巴克豪森噪声法2 3 捌1 是利用应力对磁性材料的磁学性能的影响来测定应力的技术。根据铁磁性物体在磁化过程中磁畴的旋转和位移原理，当有应力存在时，对磁畴的旋转和位移会产生附加的阻力，磁化曲线因此种应力会发生变化。根据这种变化可以推测出残余磁性与应力之间的变化关系。磁性法测残余应力适用于测相变应力，这是因为在同一磁场中就整个断面来考虑，宏观残余应力在整个断面上保持平衡，实际上对磁性产生影响的是相变应力和晶体内的应力，磁性法测定残余应力受磁化条件限制很难在现场测量，所以一般主要在实验室应用。对大型工件而言，取样后由于应力状况难以代表工件实际应力状况，磁弹性法也不太适用。另外，磁弹法和巴克豪森噪声法只能定性地给出应力的大小和热处理效果。1 2 2 5 超声波法超声波法是无损测量方法中有一定发展前景的方法，具有下列特点：( 1 ) 超声波的方向性较好，超声波具有光波一样良好的方向性，可以实行定向发射；( 2 ) 对于大多数介质而言，超声波的穿透能力较强。在一些金属材料中，其穿6浙江工业大学硕士学位论文透能力可达数米；( 3 ) 能无损测定实际构件的表面应力和内部应力( 包括载荷作用应力和残余应力) 的应力分布；，( 4 ) 采用新型电磁换能器，可以不接触实际构件进行应力测量，不会损伤构件表面，使用安全、无公害；( 5 ) 超声测量仪器方便携带到室外或现场使用，如果配上相应的换能器( 探头) ，还可用来探伤或测定弹性模量，可一机多用；( 6 ) 超声法在测量应力时，需做标定试验。因此，利用超声波法进行残余应力测量的潜力是显而易见的。超声波法是利用材料的声弹效应( 即施加在材料上的内应力的变化引起超声波传播速度的变化，变化的大小取决于超声波的波型、传播方向、材料组织和应力状况等) ，通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出应力分布，其优点是能测量构件表面和内部的应力分布，其缺点是受探头与构件之间声耦合层厚度变化、构件材料组织、环境温度等的影响。目前超声波测试残余应力主要应用在三方面 2 5 - 2 8 ：测量热残余应力；测量螺栓应力：测量焊接应力。现有的超声波应力测量技术主要包括以下六种：( 1 ) 声双折射法用声双折射技术进行应力评估的原理是根据施加在材料上的内应力会引起材料的声学各向异性。平行和垂直于应力方向偏振的横波在材料内沿垂直于周向应力的方向传播。两波的速度差与应力值和由材料性能引起的各向异性成比例。如果材料的各向异性是己知的，那就可以算出其应力值。1 9 5 9 年b e r s o n 和r a e l s o n 发现了超声波在有应力材料中的双折射现象1 2 9 1 ，即在应力作用下，沿两个偏振主方向上传播的横波波速与在无应力状态下的波速有微弱的差别，这一现象的发现为利用超声波的声弹效应测量应力奠定了物理基础，并且利用超声波对固体中的应力进行了测量。1 9 6 7 年c r e c r a f t 发表了利用超声波测量工作应力和残余应力的文章1 3 0 ，他描述了超声波的双折射现象与在进行光弹应变分析中观测到光的双折射现象类似。在主应力方向上传播的偏振横波波速取决于该方向上应力的大小。由于超声波的双折射技术用于应力测量不需要知道试样的厚度，而只需根据时间差便可得出在偏振方向的应力值，因此被各国学者所广泛利用。该方法用于测量各向同性介质中的应力效果良好。但由于材料微结构的差异和晶粒取向导致材料呈各向异性，这时由于各向异性引起剪切波波速的变化比声弹效应引起的波速变化要大，致使测量结果可靠性变差。同时双折射技术得出的应力值是在试样厚度上的平均应力，在厚度方向存在很大的应力梯度时，不能反映出来【3 。m a h a d e v a n 研究了超声波频率对应力和晶体7浙江工业大学硕士学位论文组织的影响及其相关性( 3 2 】。他测量了频率对双折射的影响，并发现晶体结构引起的双折射在很大程度上与频率有依从关系。b a c h 和a s k e g a a r d 研究了双轴应力场中声波的应用，以及双轴和三轴应力场中应力与超声波速度间相互关系的一股表达式 3 3 1o( 2 ) 表面波法表面波适用于评价试件表面和次表面的材料特性。测定试件表面应力的原理是根据半无限体在弹性应力作用下表现出的弹性各向异性，可求出平面上表面波速度与表面应力的关系陬3 5 1 。1 9 6 1 年h a y e s 和r i v l i n 得出了在均匀变形的弹性体中的表面波沿一个主应力方向传播的第一个理论( 3 6 1 ，后来1 w a s h i m i z u 和k o b o r i 对该理论进行了概括总结1 3 7 1 。g e r h a r t 探i , - t t 波的传播方向与主应力方向不一致的情况 3 8 1 ，而h i r a o 等则探讨了初始应力随深度变化的情况【3 9 1 ，其他一些作者探讨了应力和由于织构引起的各向异性的影响。瑞利波在铝合金和低碳钢中的声弹效应被许多学者所研究，j a s s b y 和s a l t o u n利用瑞利波对试件的工作应力进行t n 量【4 0 1 ，而h u s s o n 则对试件的残余应力进行了测量【4 。瑞利波的波速可利用接触的压电换能器探头、非接触的电磁超声换能器探头及激光超声技术测量。近年来，许多研究工作者仍致力于利用超声波的声弹效应测量残余应力的研究，并取得了一些成果。l u t h i 提出了测量各向同性材料三维应力的方法 4 2 1 ，并给出了利用l a m e 常数名和，以及m u m a g h a n 常数f 、m 和n 的表达式，测量方法主要是通过测量三个不同方向超声波的飞行时间以及试件的厚度来确定的。同时他还得出了轻微各向异性材料在双轴应力作用下应力和声速的关系，并指出在这种情况下应特别注意织构的方向，而不是主应力方向。d u q u e n n o y ，o u a f t o u h 和o u r a k 也研究了利用瑞利波评价各向异性材料的应力状态的方法，建立了有应力各向异性材料的瑞利波传播方程，得出了波速的变化与应力的关系 4 3 1 。( 3 ) 反射纵波法体波对测量试件内部的材料性能是非常有用的。反射纵波是在测量试件内部传播的纵波，是测量试件内部体应力的很好方法，其原理是根据被测物体在弹性应力作用下表现出的弹性各向异性，可求出反射纵波速度与表面测量试件内部体应力的关系。同济大学声学所利用反射纵波法测量了钢轨的应力，取得了良好的效果。( 4 ) 电磁超声法常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂才能实现与被测部件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的测量环境。电磁声换能器( e m a t ) 是一种在金属表面不需要任何机械( 液体) 耦合就能产生体纵波、横波、r a y l e i g h 波、l a m b 波和表面波的超声换能器。因为不需要任何8浙江工业大学硕士学位论文液体耦合，e m a t 可以在高温和高速扫描情况下工作。e m a t 的特性很容易在另一个换能器上重复实现，所以可以用于制作标准换能器。另外，它可以很容易的产生一般压电换能器很难激发的s h 波。横波和纵波的角度可以通过控制频率来控制。e m a t 也有它的缺点，那就是e m a t 的插入损失比普通的压电换能器大得多，所以在激发和接收时必须调整阻抗。因为产生超声波时是一个电流控制的操作，所以不同的e m a t 需要不同的驱动电路4 4 “7 1 ，而且也不能用于非金属材料的测量 4 8 1 。( 5 ) 激光超声法激光超声是利用激光束来产生和测量超声，并开展超声传播研究和材料特性无损评估的新兴学科。与传统的压电换能器技术相比，激光超声最主要的优点也是非接触测量，它消除了压电换能器技术中的耦合剂的影响，可用于各种较复杂形貌试样的特性测量，加上它又是一种宽带的测量技术，并能利用光波波长为测量标准而精确测量超声位移。因此利用激光超声技术测量应力是一种极有应用前景的新的无损测量技术。近年来激光超声技术在应力测量方面得到了很大的发展，是一种极具潜力的应力测量技术之一【4 9 5 。( 6 ) 临界折射纵波法临界折射纵波是一种特殊情况下激发的纵波，它是纵波以第一临界角入射时产生的特殊模式，它在试件表层一定深度内传播，它具有表面波和体波的特性，并且在一些特殊应用方面具有比传统的表面波和体波更优的性能。b r e k h o v s k i i ，b a s a t s k a y a 和e r m o l o v ，j u n g h a n s 和b r a y ，以及l a n g e n b e r g 等学者对临界折射纵波的一些特性进行了系统的研究，并且利用临界折射纵波技术测量应力在各种材料中进行了试验 5 2 5 4 。早期波兰研究者利用该技术测量钢轨中的应力5 5 5 6 】，并取得了一定的成效。他们成功的测量了钢轨由于制造产生的应力以及钢轨安装在路基上后由于热作用产生的应力。同时b r a y 等人还用该项技术测量了铸铁件、涡轮盘、压缩机转轴的应力等【5 扣5 4 】，以及s a l a m a n c a 测量了安装在发电站涡轮机转轮上热嵌配合挡圈的应力分布，t a n a l a 等人也对焊接铝试样的应力分布进行了测量 3 1 1 。这些实例都证实了临界折射纵波在应力评价中的独特性，它对应力变化非常敏感。当利用临界折射纵波测试有限厚度的试样时，临界折射纵波的穿透深度是超声波频率的函数，低频波比高频波渗透得深。并且b r a y 等人通过试验探讨了实际声波能量的分布与深度的关系，但还没有任何理论能对临界折射纵波的有效渗透深度进行解释。同时b r a y 等人还探讨了织构对临界折射纵波的影响，研究表明临界折射纵波对织构不敏感5 7 1 。浙江工业大学硕士学位论文1 3 超声检测技术中的研究热点超声波检测原理简单，设备轻便，可实现现场或在役检测，对身体无害。随着计算机和信息处理技术的迅速发展，超声波检测的可靠性和直观性也人为提高。当前，超声检测技术已广泛应用于工业生产各个部门，无论是航空航天和国防工业，还是铁路、桥梁、石油、化上、电厂和矿山等，都在尽可能地采用超声检测技术来提高产品质量和保证安全运行，并已取得了显著的经济效益和社会效益。例如，美国6 0 0 家电力公司下属的近万家电厂主要用超声检测控制机组质量，保证电厂正常运转，其检测可靠性己达到8 5 ( l i u1 9 9 0 ) 。进入上世纪八十年代以来，超声检测理论与技术的研究主要活跃在以下几方面：1 ) 有关材料性能的超声检测与评价对于工程材料而言，影响材料使用性能的主要包括弹性常数、晶粒大小和分布，密度变化、织构、微裂纹、微夹杂、微孑l 隙以及强度、韧性和硬度等。这些内容都与超声在材料中的传播和散射性质有关，因此可以通过测量声速与衰减来表征材料的特性。2 ) 关于检测信息分析和处理的研究对于现代无损检测工作者来说，信号处理与分析已不再是辅助技术，而是一种基本技术。一般无损检测中采集得到的都是时域信号，声信号分析中最早和最有用的一个内容是频谱分析，也可以将时域信号和频谱信号结合起来分析。现在用于检测信息分析与处理的已经不仅是时域信号和频域信号，而且还有幅域、相域和倒频域信号等。其它如信号的集柬处理、模式识别与分析以及人工神经网络等的应用也越来越多。3 ) 检测技术的计算机化和自动化这方面的研究可以归结为两方面的工作，即专用无损检测仪器的计算机化或数字化和特定检测任务或过程的自动化。各种无损检测方法将被检对象的物理信息通过不同类型的传感器( 换能器) 转换为电量信号，经放大、采样、a d 转换后，将这些模拟信号变为数字信号进入计算机系统，微处理器执行部件，如放大器的增益数控、自动补偿、自动设置检测灵敏度等，并进行自动运算和质量判断。同时还可根据软件编程进行数字信号处理和图像处理，计算机系统还将控制工序流程。作为一个工程项目的自动化无损检测系统，往往是机械传动、液压、气动、专用传感器、电磁控制、光电控制、电子程控以及信号发射与分析处理系统的综合。4 ) 非金属材料和复合材料的无损检测当今国防和民用工业各个领域中应用了大量非金属材料，尤其是高分子材料和复合材料，所以对这类材料物理化学性能、结构形式、内在质量以及使用状况的研究与检测( 监测) 便引起了广泛的关注。由于结构、成分、加工工艺( 过程) 等方面的l o浙江丁业大学硕七学何论文不同，带来了此类材料或构件机械性能、失效方式( 过程) 以及使用寿命等与金属材料或构件的区别。对于超声检测来说，这类材料往往在超声的传播速度、衰减以及散射形式上与金属有明显区别，这就为超声信号的产生、接收和分析处理以及相应检测系统等方面提供了新的研究内容。1 3 1 超声波测应力技术超声测应力技术是近年来超声应用的一个研究热点，与以往测应力方法不同，由于超声波对材料是“透明”的，所以采用超声波来检测材料内应力不用损坏被测件，使得该方法得到迅速推广。本文的研究正是基于此技术而提出来的，所以下面重点介绍之。1 3 2 声弹性检测众所周知，在透明材料中应力可以引起光的双折射现象，这被作为普通实验应力分析方法，即光弹性应力分析方法。自从1 9 4 0 年s o k a 提出应力同样可以引起声的双折射现象以来，许多学者进行了声弹理论和试验技术的研究。当声波在材料中传播时，其传播速度依赖于材料弹性变形的状况，这种微小但有限的依赖性质被称作声弹性( a c o u s t o e l a s t i c i t y ) 或声弹效应( a c o u s t o e l a s t i ce f f e c t ) ，声弹性检测作为超声检测的一个重要内容，它通过检测对象中超声的传播与其中或表面上的应力之间的依赖关系，达到对材料定量检测的目的。声弹性检测是各种材料物理性能、受力状况、微观结构以及残余应力无损检测或无损估计与评价的重要且行之有效的手段之一，己经成为当今实验力学、超声学、材料科学等众多领域研究的重要课题之一，受到国防工业和民用工业各个部门的重视，并己开始在某些领域得到成功应用。随着有关试验工作的不断发展，人们发现材料的轻微各向异性以及不均匀可引起测量中的明显误差。于是有关材料微不均匀变形和微各向异性的声弹理论相继诞生，旨在消除织构影响的正交各向异性声双折射公式也随之建立起来。到目前已发展成为一门与光弹性力学相类似的新科学，即声弹性力学( s o n o e l a s t i c i t y 或a c o u s t o e l a s t i c i t y )。声弹性的发现不仅丰富了试验应力分析的测试技术，而且是金属和陶瓷制品残余应力无损检测中具有足够精度的一项实用技术。超声检测应力技术没有光弹性所特有的限制，使得声弹性有一些明显的优点，固体中弹性波的各种模式( 纵波、横波、表面波等) 都与应力有关，所以声弹性的内容比光弹性要丰富。另外，声学方法不局限于测量表面性能，也能测内部，沿超声传播路程的平均性能：而且超声测量仪器携带方便，可到现场检测，如果在探头上稍加改变，还可用于探伤，因此超声测应浙江工业大学硕上学位论文力技术引起了国内外学者的极大关注，用超声波参量来表征残余应力以及工作应力的研究在近几十年里得到了迅速的发展，针对不同材料、不同波型及不同的研究对象，超声波测应力技术的各种研究成果和报道都相继刊出。此外，随着研究的深入，一些实用的超声波应力测试技术及仪器也相继出现。铁路工业是首家把无损超声波应力检测转化为实际应用的行业，1 9 9 1 年，美国国家标准技术研究院，美国铁路协会a a r ，波兰科学院基础技术研究所i p p t p a n 和波兰国家铁路中央研究院c n t k 四方开始联合研究( s c h r a m m1 9 9 9 ) ，目的在于利用超声波测应力技术开发出美国普遍运用的铸钢车轮的完整性进行临界鉴定的方法，直到今天超声波测应力技术在铁路工业方面，其应用主要有三个：检测被调直机调直后钢轨内的纵向残余应力；检测整体车轮轮毂内的应力；检测焊接长钢轨内的温差应力，从而在提高行车安全上发挥了重要作用，开发出的仪器已在美国、欧洲及日本等地使用。当前比较成熟并有实际应用的另一个实例是螺栓应力的超声波测量，它可以迅速准确地测出螺栓轴向应力的大小，并以此作为分析设备运行状况的主要依据。在国内，1 9 9 5 年国家“七五”