超声波检测残余应力的实验研究

超声波检测残余应力的实验研究

作为一种内应力，剩余应力对材料的不同性能的影响越来越受到关注。特别是残余拉应力严重降低了材料的结构强度、疲劳寿命等指标。目前,广泛应用的测试残余应力的方法分为物理法和机械法两大类。其中物理法有X射线测定方法、磁性测定方法和超声波测定法等,均是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应,建立某一物理量与残余应力间的关系,从而推算残余应力。超声波测残余应力是近几年才出现的新方法,但是,由于残余应力引起波速变化很小,故实验结果会受多种因素的影响,测量误差较大。笔者采用超声波对比法进行残余应力变化的测试。1应力引起的各向异性超声波法利用声的双折射现象,即一个各向同性固态介质(通常假定所测试样品为各向同性),在应力的作用下具有声弹性,即在有应力的情况下,由于应力的方向和大小的不同,使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化,也就是应力的存在引起了各向异性。近十年来,由于发射和检测超声波方法的改进,有多种方法可以测定应力引起的超声双折射、传播速度及频谱变化,由此便可计算出作用在物体上的外力或残余应力。1.1声速、增势以及应力值的计算设超声纵波在零应力介质中的传播速度为v10,在有X-Z平面应力(主应力为σ1和σ2)时的传播速度为v1,由参考文献可得声速与应力之间的关系为:即纵波声速的相对变化与主应力之和成正比,其比例系数为S′,称为纵波声应力常数,且:式中μ,λ——介质拉梅常数;l,m——介质的三阶弹性常数。因而,纵波弹性常数S′确定后,只要测出v10和v1,即可求得X-Z平面上两主应力之和。当用超声横波传入介质时,若在零应力介质中横波声速为v0,分解成沿主应力σ1和σ2方向的两个横波分量的传播速度分别为v1和v2,由参考文献可得如下关系:v1−v2v0=S(σ1−σ2)(3)v1-v2v0=S(σ1-σ2)(3)式中S为横波声应力常数,且:式中μ——介质拉梅系数;n——介质的三阶弹性常数。因此,测定了μ和n,即可求得S。只要测得声速的v0,v1和v2,即可求得X-Z平面上两主应力差。利用式(1)和(3)可求得介质的X-Z平面上的两个主应力σ1和σ2。以上方程理论上可求出残余应力的准确大小。但由于实际中很难准确测量声速,使得该方法在实践中的可操作性受到限制。1.2声速残余应力超声波对比法测量残余应力变化不涉及具体测量值的误差问题,只是在相同误差条件或相似测试条件下比较声速的变化,进而得到残余应力的变化情况。当试件内部残余应力改变100MPa时,铝试件声速改变1%,钢试件声速改变1‰。因此,在不改变超声波入射声速时,可利用声程的改变判断残余应力的变化,笔者在相同测试条件下,比较了塑性变形前后的波形和声程,试验了残余应力变化对声程的影响。2剩余电压的比较试验2.1测量测试方法实验采用QSK-958全电脑超声波探伤仪以及适应各种结构形状的探头。仪器设备的主要技术参数为:频率范围0.5～10MHz;工作方式为单探头发射/接收或双晶探头发射/接收;总衰减量为86dB,调节步进ldB;动态范围≥30dB;噪声电平≤15%;分辨力>26dB;垂直线性误差≤3%;水平测量精度<1%;扫描范围0～12000mm(钢中纵波),0～7000mm(钢中横波);灵敏度余量为采用2.5Pϕ20mm直探头检测200mm处ϕ2mm平底孔时,灵敏度余量>66dB;远距离补偿为钢中纵波补偿12000mm;钢中横波补偿5000mm。外形尺寸为280mm×240mm×110mm。实验中使用横波发射,波速为3240m/s,折射角k=58°,探头频率为2.5MHz。选用10个试件进行比较分析,试件材料为铝合金LY12,尺寸如图1所示。10个试件加工条件完全相同,并在加工后置于室温放置15d。拉伸设备采用WDW3050万能材料拉伸机,拉伸过程见图2。2.2拉伸注压测试结果首先用针在试件1的测试表面刻下清晰的十字划痕。使探头前边缘与竖直划痕对齐,探头前缘中心刻度对准十字划痕的交点,测得该位置A扫描图像波峰处声程。经过10次测量,求得声程平均值L=30.7mm,回波幅度为85%。然后将试件在WDW3050万能材料拉伸机上拉至塑性变形,再测得已标定位置回波波峰处的声程平均值L=30.3mm,在偏离中心的标定位置以折射角K=58°的斜探头探测塑性变形区内的点。由于试件变形量较小,标定点避开表面变形最大的中心位置,可看作塑性变形前后测试条件相似。测试结果可见,试件塑性变形后,由于试件内的残余拉应力增大,超声波测得的声程降低。其余9个试件重复以上步骤,保持相同的变形量,分别测得标定位置拉伸前后声程,所有试件测试数据见表1。表1可见,试件受拉至塑性变形,内部所受残余拉应力增大,同一试件的同一位置超声波测得的回波波峰处声程减小。2.3金相组织分析由测试数据可见,受拉后试件的声程均有不同程度的降低,且回波峰值降低,超声波衰减程度增大。进一步的金相组织分析发现,这是由于塑性变形后,试件金属组织细化导致的。以上研究结果表明,在无法准确测得或不需要确定试件内部真实残余应力值的情况下,可通过超声波对比法得到试件加工前后残余应力的变化情况。该方法提高了在实际生产中应用超声波方法测试残余应力的实用性和可操作性。3材料残余应力测定超声波对比测试实验表明,材料经拉伸塑性变形后