■计测技术
超声波法测定残余应力的原理及其应用
The Principle of Determining Residual Stresses by Ultrasonic Wave and Its Use □朱 伟 Zhu Wei 彭大暑 Peng Dashu 杨立斌 Yang L ibin
张 辉 Zhang Hui
近10年来, 由于发射和检
【作者简介】朱伟, 男, 硕士研究生。工作单位:中南大学材料科学与工程系。通讯地址:
410083长沙市中南大学材料科学与工程系36
测超声波方法的改进, 从 而提出了各种方法以测定 应力引起的声双折射、声 传播速度变化及超声频谱 , 测量出这些变化以
图1
号信箱。
彭大暑、杨立斌、张辉, 中南大学材料科学与工程系(长沙410083) 。
【摘要】主要介绍了用超声波法测定残余应力的原理, 并概略地介绍了它的特点、应用以及存在的问题。
【关键词】残余应力 超声波法 双折射现象
【关键词】2001-09-19
。超声波实验。
3. 计算方法
3. 1超声波检测试件内部应力
法。用。
1. 前言
, 其人们的关注。例如经热处理和机械加工后, 零件出现大的尺寸的变化、磨削时出现开裂, 都与残余应力有关。尤其是它对材料疲劳性能的影响最为明显, 它严重地降低了材料结构强度、疲劳寿命等。因此, 研究残余应力刻不容缓。近几十年来, 国内外学者都致力于各种实测方法的研究, 各种残余应力的测试方法不断问世。目前, 广泛应用的可分为两大类, 即物理方法和机械方法。其中物理方法有X 射线测定方法、磁性测定法、超声波测定法等, 它们属于无损的检测方法, 均是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应, 建立起某一物理量与残余应力(或应变) 间的关系, 通过测定这一物理量推算出残余应力来。在这当中超声波法是近几年来才涌现出来的新方法, 是无损测
设两个固态媒质的分界面为X -Z 平面(即Y =0) 。一个在媒质1中的超声纵波以一定倾斜角度入射, 通过两媒质的介面向媒质2内传递时, 它将分解成两个纵波和两个横波。见图1-a 。但当入射波是沿垂直于各向同性介质表面传播时, 可以证明它将形成两个纯粹与入射波同类型的波。见图1-b 。这个规律为利用超声波测定残余应力提供了理论根据和实验基础。一个各向同性固态介质(我们通常假定所测试样品为各向同性的) , 在应力的作用下, 是具有声弹性的(和磁性相似) 。即在有应力的情况下, 由于应力的方向和大小的不同, 从而使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化, 也就是由于应力的存在引起了各向异性。当应力为平面应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时, 超声波仅只分解成两个方向的超声波(反射波和折射波) 。见图1-b 。
的原理
设超声纵波在零应力介质中的传播速度为V 10, 在有X -Z 平面应力(主应力为σ1, σ2) 时的传播速度为V 1, K ino G. S 导出了声速与应力之间的关系如下:
(σ=S ′1+σ2) V 10
(1)
即纵波声速的相对变化与主应力和成正比, 其比例系数为S ′, 称为纵波速应力常数, 且
S ′=
μ(3λ+2μ) (λ+2μ)
(2)
λ为介质拉梅常数, l 、式中, μ、
m 为介质的三阶弹性常数(即在应
力和应变不是无限小时, 按级数展开时所对应的高阶弹性常数) , 这些常数可由实验测定。因而, 纵波弹性常数S ′可以确定, 只要测出V 10、
V 1即可求得X -Z 平面上两主应力
之和。见图2所示。
当用超声横波传入介质时, 若
计量与测试技术・2001・№1
6
ζµ
■计测技术
在零应力介质中横波声速为V 0, 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V 1和
V 2, 则根据Hsu. N. N 和Bach. F 的
式中, K 1和K 2分别为介质的二阶和三阶弹性常数, 由实验求得V 03,V 13, V 23和K 1, K 2, 即可求得
X -Z 平面的两个主应力σ1和σ2。
3
3
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。
(4) 超声法在测量应力时, 需要做标定试验。
推导有下列关系存在
:
4. 测定方法与应用
实际测定可通过下列途径来确定声速:超声脉冲传播时间的直接测量法、相位比较法、回振法、超声测角仪法、回波幅度法、频谱法以及层析法等。图4即为一套超声波浸透射法检测焊缝缝隙处残余应力的试验系统示意图。它应用相位比较法来测量声速。
目前总的来说, 超声波法应用尚不十分广泛。国内外仅有少数几报导。测量。。表1所示为柴油机汽缸螺栓材质为40Cr 钢径、850℃油淬、500℃回火时用超声波法测得的结果σ声, 与试验机载荷所施加应力σ机比较, 二者基本一致。
表1
机2. 85. 78. 511. 314. 217. 019. 822. 625. 528. 3声3. 35. 98. 811. 814. 617. 320. 323. 125.
828. 6
图4 超声检测试验系统示意图
1. 电路系统 2. 纵向导轨 3. 紧固螺钉 4. 横
图2 纵波入射时示意图
=S (σ1+σ2) V 0
(3)
式中, S 为横波声应力常数, 且(4) S =
8μ2
式中, μ为介质拉梅系数, n 为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V 0, V 1和V 2, 即可求得X -Z 平面上两主应力差
。见图3。
向导轨 5. 滑块 6. 探头握杆 7. 定位套 8. 限位片 9. 螺钉调节垫片 11. 试件
12. 14. 焊缝 15. 发射探
18. 自耦调压器
在的问题
(1) 测量结果受试件材料组织
图3 横波入射时示意图
(3) 即可求得介质利用式(1) 、
的X -Z 平面上的两个主应力σ1和σ2。
3. 2表面波(瑞利波) 测定试件表面应力的原理
它所需要的条件与前述相同, 即材料在无应力状态下是各向同性
5. 超声波法测量残余应力的特点(1) 能无损测定实际构件的表
结构(特别是组织结构、粗晶等) 的干扰较大, 要安全解决此问题有待进一步深入研究。
(2) 对表层或内部应力急剧变化的实际构件, 对形状复杂和受三向应力的构件, 用超声波法测定的应力, 还有许多具体问题有待解决。
(3) 由于声波波长太长, 利用干涉法目前还难实现。即使利用声速法, 也由于声波波长太长
, 声速太低, 应力引起的声速变化微小, 一般9. 8MPa 的应力只能在钢材中引起10-4的声速变化, 给精确测量带来困难。
7. 结束语
的, 而根据半无限体在弹性应力作用下表现出的弹性各向异性, 可求得X -Z 平面上表面波速度与表面应力的关系。如果无应力时的传播
3
速度为V 03, 在σ1方向的速度为
33V 13, σ2方向的速度为V 2, 则有:
面应力和内部应力(包括载荷作用
应力和残余应力) , 测量的应力为沿超声波传播路径的平均值。
(2) 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。
(3) 超声测量仪器方便携带到
3
3
V 0V 0
=K 1σ1+K 1σ2=
3
K 2σ1
33
超声波法作为一种新型的无损
测定残余应力的方法引起人们的关注, 得到了一定应用, 但目前在技术上还存在一些问题。相信随着科学技术的不断发展, 超声波测定残余应力的方法将越来越成熟, 应用也越来越广泛。■
本课题由国家重点基础研究发展规划项目(G [1**********]) 资助。
33
+
3K 2σ2
(5)
{µ
计量与测试技术・2001・№16
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超声波法测定残余应力的原理及其应用
The Principle of Determining Residual Stresses by Ultrasonic Wave and Its Use □朱 伟 Zhu Wei 彭大暑 Peng Dashu 杨立斌 Yang L ibin
张 辉 Zhang Hui
近10年来, 由于发射和检
【作者简介】朱伟, 男, 硕士研究生。工作单位:中南大学材料科学与工程系。通讯地址:
410083长沙市中南大学材料科学与工程系36
测超声波方法的改进, 从 而提出了各种方法以测定 应力引起的声双折射、声 传播速度变化及超声频谱 , 测量出这些变化以
图1
号信箱。
彭大暑、杨立斌、张辉, 中南大学材料科学与工程系(长沙410083) 。
【摘要】主要介绍了用超声波法测定残余应力的原理, 并概略地介绍了它的特点、应用以及存在的问题。
【关键词】残余应力 超声波法 双折射现象
【关键词】2001-09-19
。超声波实验。
3. 计算方法
3. 1超声波检测试件内部应力
法。用。
1. 前言
, 其人们的关注。例如经热处理和机械加工后, 零件出现大的尺寸的变化、磨削时出现开裂, 都与残余应力有关。尤其是它对材料疲劳性能的影响最为明显, 它严重地降低了材料结构强度、疲劳寿命等。因此, 研究残余应力刻不容缓。近几十年来, 国内外学者都致力于各种实测方法的研究, 各种残余应力的测试方法不断问世。目前, 广泛应用的可分为两大类, 即物理方法和机械方法。其中物理方法有X 射线测定方法、磁性测定法、超声波测定法等, 它们属于无损的检测方法, 均是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应, 建立起某一物理量与残余应力(或应变) 间的关系, 通过测定这一物理量推算出残余应力来。在这当中超声波法是近几年来才涌现出来的新方法, 是无损测
设两个固态媒质的分界面为X -Z 平面(即Y =0) 。一个在媒质1中的超声纵波以一定倾斜角度入射, 通过两媒质的介面向媒质2内传递时, 它将分解成两个纵波和两个横波。见图1-a 。但当入射波是沿垂直于各向同性介质表面传播时, 可以证明它将形成两个纯粹与入射波同类型的波。见图1-b 。这个规律为利用超声波测定残余应力提供了理论根据和实验基础。一个各向同性固态介质(我们通常假定所测试样品为各向同性的) , 在应力的作用下, 是具有声弹性的(和磁性相似) 。即在有应力的情况下, 由于应力的方向和大小的不同, 从而使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化, 也就是由于应力的存在引起了各向异性。当应力为平面应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时, 超声波仅只分解成两个方向的超声波(反射波和折射波) 。见图1-b 。
的原理
设超声纵波在零应力介质中的传播速度为V 10, 在有X -Z 平面应力(主应力为σ1, σ2) 时的传播速度为V 1, K ino G. S 导出了声速与应力之间的关系如下:
(σ=S ′1+σ2) V 10
(1)
即纵波声速的相对变化与主应力和成正比, 其比例系数为S ′, 称为纵波速应力常数, 且
S ′=
μ(3λ+2μ) (λ+2μ)
(2)
λ为介质拉梅常数, l 、式中, μ、
m 为介质的三阶弹性常数(即在应
力和应变不是无限小时, 按级数展开时所对应的高阶弹性常数) , 这些常数可由实验测定。因而, 纵波弹性常数S ′可以确定, 只要测出V 10、
V 1即可求得X -Z 平面上两主应力
之和。见图2所示。
当用超声横波传入介质时, 若
计量与测试技术・2001・№1
6
ζµ
■计测技术
在零应力介质中横波声速为V 0, 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V 1和
V 2, 则根据Hsu. N. N 和Bach. F 的
式中, K 1和K 2分别为介质的二阶和三阶弹性常数, 由实验求得V 03,V 13, V 23和K 1, K 2, 即可求得
X -Z 平面的两个主应力σ1和σ2。
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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。
(4) 超声法在测量应力时, 需要做标定试验。
推导有下列关系存在
:
4. 测定方法与应用
实际测定可通过下列途径来确定声速:超声脉冲传播时间的直接测量法、相位比较法、回振法、超声测角仪法、回波幅度法、频谱法以及层析法等。图4即为一套超声波浸透射法检测焊缝缝隙处残余应力的试验系统示意图。它应用相位比较法来测量声速。
目前总的来说, 超声波法应用尚不十分广泛。国内外仅有少数几报导。测量。。表1所示为柴油机汽缸螺栓材质为40Cr 钢径、850℃油淬、500℃回火时用超声波法测得的结果σ声, 与试验机载荷所施加应力σ机比较, 二者基本一致。
表1
机2. 85. 78. 511. 314. 217. 019. 822. 625. 528. 3声3. 35. 98. 811. 814. 617. 320. 323. 125.
828. 6
图4 超声检测试验系统示意图
1. 电路系统 2. 纵向导轨 3. 紧固螺钉 4. 横
图2 纵波入射时示意图
=S (σ1+σ2) V 0
(3)
式中, S 为横波声应力常数, 且(4) S =
8μ2
式中, μ为介质拉梅系数, n 为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V 0, V 1和V 2, 即可求得X -Z 平面上两主应力差
。见图3。
向导轨 5. 滑块 6. 探头握杆 7. 定位套 8. 限位片 9. 螺钉调节垫片 11. 试件
12. 14. 焊缝 15. 发射探
18. 自耦调压器
在的问题
(1) 测量结果受试件材料组织
图3 横波入射时示意图
(3) 即可求得介质利用式(1) 、
的X -Z 平面上的两个主应力σ1和σ2。
3. 2表面波(瑞利波) 测定试件表面应力的原理
它所需要的条件与前述相同, 即材料在无应力状态下是各向同性
5. 超声波法测量残余应力的特点(1) 能无损测定实际构件的表
结构(特别是组织结构、粗晶等) 的干扰较大, 要安全解决此问题有待进一步深入研究。
(2) 对表层或内部应力急剧变化的实际构件, 对形状复杂和受三向应力的构件, 用超声波法测定的应力, 还有许多具体问题有待解决。
(3) 由于声波波长太长, 利用干涉法目前还难实现。即使利用声速法, 也由于声波波长太长
, 声速太低, 应力引起的声速变化微小, 一般9. 8MPa 的应力只能在钢材中引起10-4的声速变化, 给精确测量带来困难。
7. 结束语
的, 而根据半无限体在弹性应力作用下表现出的弹性各向异性, 可求得X -Z 平面上表面波速度与表面应力的关系。如果无应力时的传播
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速度为V 03, 在σ1方向的速度为
33V 13, σ2方向的速度为V 2, 则有:
面应力和内部应力(包括载荷作用
应力和残余应力) , 测量的应力为沿超声波传播路径的平均值。
(2) 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。
(3) 超声测量仪器方便携带到
3
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V 0V 0
=K 1σ1+K 1σ2=
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K 2σ1
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超声波法作为一种新型的无损
测定残余应力的方法引起人们的关注, 得到了一定应用, 但目前在技术上还存在一些问题。相信随着科学技术的不断发展, 超声波测定残余应力的方法将越来越成熟, 应用也越来越广泛。■
本课题由国家重点基础研究发展规划项目(G [1**********]) 资助。
33
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3K 2σ2
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计量与测试技术・2001・№16