超聲波檢測殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究

超聲波檢測殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究

作為一種內(nèi)應(yīng)力，剩余應(yīng)力對材料的不同性能的影響越來越受到關(guān)注。特別是殘余拉應(yīng)力嚴(yán)重降低了材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞壽命等指標(biāo)。目前,廣泛應(yīng)用的測試殘余應(yīng)力的方法分為物理法和機(jī)械法兩大類。其中物理法有X射線測定方法、磁性測定方法和超聲波測定法等,均是利用材料中殘余應(yīng)力狀態(tài)引起的某種物理效應(yīng),建立某一物理量與殘余應(yīng)力間的關(guān)系,從而推算殘余應(yīng)力。超聲波測殘余應(yīng)力是近幾年才出現(xiàn)的新方法,但是,由于殘余應(yīng)力引起波速變化很小,故實(shí)驗(yàn)結(jié)果會受多種因素的影響,測量誤差較大。筆者采用超聲波對比法進(jìn)行殘余應(yīng)力變化的測試。1應(yīng)力引起的各向異性超聲波法利用聲的雙折射現(xiàn)象,即一個(gè)各向同性固態(tài)介質(zhì)(通常假定所測試樣品為各向同性),在應(yīng)力的作用下具有聲彈性,即在有應(yīng)力的情況下,由于應(yīng)力的方向和大小的不同,使在固態(tài)介質(zhì)中的超聲波傳遞速度發(fā)生了變化,也就是應(yīng)力的存在引起了各向異性。近十年來,由于發(fā)射和檢測超聲波方法的改進(jìn),有多種方法可以測定應(yīng)力引起的超聲雙折射、傳播速度及頻譜變化,由此便可計(jì)算出作用在物體上的外力或殘余應(yīng)力。1.1聲速、增勢以及應(yīng)力值的計(jì)算設(shè)超聲縱波在零應(yīng)力介質(zhì)中的傳播速度為v10,在有X-Z平面應(yīng)力(主應(yīng)力為σ1和σ2)時(shí)的傳播速度為v1,由參考文獻(xiàn)可得聲速與應(yīng)力之間的關(guān)系為:即縱波聲速的相對變化與主應(yīng)力之和成正比,其比例系數(shù)為S′,稱為縱波聲應(yīng)力常數(shù),且:式中μ,λ——介質(zhì)拉梅常數(shù);l,m——介質(zhì)的三階彈性常數(shù)。因而,縱波彈性常數(shù)S′確定后,只要測出v10和v1,即可求得X-Z平面上兩主應(yīng)力之和。當(dāng)用超聲橫波傳入介質(zhì)時(shí),若在零應(yīng)力介質(zhì)中橫波聲速為v0,分解成沿主應(yīng)力σ1和σ2方向的兩個(gè)橫波分量的傳播速度分別為v1和v2,由參考文獻(xiàn)可得如下關(guān)系:v1?v2v0=S(σ1?σ2)(3)v1-v2v0=S(σ1-σ2)(3)式中S為橫波聲應(yīng)力常數(shù),且:式中μ——介質(zhì)拉梅系數(shù);n——介質(zhì)的三階彈性常數(shù)。因此,測定了μ和n,即可求得S。只要測得聲速的v0,v1和v2,即可求得X-Z平面上兩主應(yīng)力差。利用式(1)和(3)可求得介質(zhì)的X-Z平面上的兩個(gè)主應(yīng)力σ1和σ2。以上方程理論上可求出殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確大小。但由于實(shí)際中很難準(zhǔn)確測量聲速,使得該方法在實(shí)踐中的可操作性受到限制。1.2聲速殘余應(yīng)力超聲波對比法測量殘余應(yīng)力變化不涉及具體測量值的誤差問題,只是在相同誤差條件或相似測試條件下比較聲速的變化,進(jìn)而得到殘余應(yīng)力的變化情況。當(dāng)試件內(nèi)部殘余應(yīng)力改變100MPa時(shí),鋁試件聲速改變1%,鋼試件聲速改變1‰。因此,在不改變超聲波入射聲速時(shí),可利用聲程的改變判斷殘余應(yīng)力的變化,筆者在相同測試條件下,比較了塑性變形前后的波形和聲程,試驗(yàn)了殘余應(yīng)力變化對聲程的影響。2剩余電壓的比較試驗(yàn)2.1測量測試方法實(shí)驗(yàn)采用QSK-958全電腦超聲波探傷儀以及適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)形狀的探頭。儀器設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)為:頻率范圍0.5～10MHz;工作方式為單探頭發(fā)射/接收或雙晶探頭發(fā)射/接收;總衰減量為86dB,調(diào)節(jié)步進(jìn)ldB;動(dòng)態(tài)范圍≥30dB;噪聲電平≤15%;分辨力>26dB;垂直線性誤差≤3%;水平測量精度<1%;掃描范圍0～12000mm(鋼中縱波),0～7000mm(鋼中橫波);靈敏度余量為采用2.5P?20mm直探頭檢測200mm處?2mm平底孔時(shí),靈敏度余量>66dB;遠(yuǎn)距離補(bǔ)償為鋼中縱波補(bǔ)償12000mm;鋼中橫波補(bǔ)償5000mm。外形尺寸為280mm×240mm×110mm。實(shí)驗(yàn)中使用橫波發(fā)射,波速為3240m/s,折射角k=58°,探頭頻率為2.5MHz。選用10個(gè)試件進(jìn)行比較分析,試件材料為鋁合金LY12,尺寸如圖1所示。10個(gè)試件加工條件完全相同,并在加工后置于室溫放置15d。拉伸設(shè)備采用WDW3050萬能材料拉伸機(jī),拉伸過程見圖2。2.2拉伸注壓測試結(jié)果首先用針在試件1的測試表面刻下清晰的十字劃痕。使探頭前邊緣與豎直劃痕對齊,探頭前緣中心刻度對準(zhǔn)十字劃痕的交點(diǎn),測得該位置A掃描圖像波峰處聲程。經(jīng)過10次測量,求得聲程平均值L=30.7mm,回波幅度為85%。然后將試件在WDW3050萬能材料拉伸機(jī)上拉至塑性變形,再測得已標(biāo)定位置回波波峰處的聲程平均值L=30.3mm,在偏離中心的標(biāo)定位置以折射角K=58°的斜探頭探測塑性變形區(qū)內(nèi)的點(diǎn)。由于試件變形量較小,標(biāo)定點(diǎn)避開表面變形最大的中心位置,可看作塑性變形前后測試條件相似。測試結(jié)果可見,試件塑性變形后,由于試件內(nèi)的殘余拉應(yīng)力增大,超聲波測得的聲程降低。其余9個(gè)試件重復(fù)以上步驟,保持相同的變形量,分別測得標(biāo)定位置拉伸前后聲程,所有試件測試數(shù)據(jù)見表1。表1可見,試件受拉至塑性變形,內(nèi)部所受殘余拉應(yīng)力增大,同一試件的同一位置超聲波測得的回波波峰處聲程減小。2.3金相組織分析由測試數(shù)據(jù)可見,受拉后試件的聲程均有不同程度的降低,且回波峰值降低,超聲波衰減程度增大。進(jìn)一步的金相組織分析發(fā)現(xiàn),這是由于塑性變形后,試件金屬組織細(xì)化導(dǎo)致的。以上研究結(jié)果表明,在無法準(zhǔn)確測得或不需要確定試件內(nèi)部真實(shí)殘余應(yīng)力值的情況下,可通過超聲波對比法得到試件加工前后殘余應(yīng)力的變化情況。該方法提高了在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用超聲波方法測試殘余應(yīng)力的實(shí)用性和可操作性。3材料殘余應(yīng)力測定超聲波對比測試實(shí)驗(yàn)表明,材料經(jīng)拉伸塑性變形后