超聲波檢測殘余應力的實驗研究

超聲波檢測殘余應力的實驗研究

作為一種內(nèi)應力，剩余應力對材料的不同性能的影響越來越受到關注。特別是殘余拉應力嚴重降低了材料的結(jié)構(gòu)強度、疲勞壽命等指標。目前,廣泛應用的測試殘余應力的方法分為物理法和機械法兩大類。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力狀態(tài)引起的某種物理效應,建立某一物理量與殘余應力間的關系,從而推算殘余應力。超聲波測殘余應力是近幾年才出現(xiàn)的新方法,但是,由于殘余應力引起波速變化很小,故實驗結(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行殘余應力變化的測試。1應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),在應力的作用下具有聲彈性,即在有應力的情況下,由于應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,有多種方法可以測定應力引起的超聲雙折射、傳播速度及頻譜變化,由此便可計算出作用在物體上的外力或殘余應力。1.1聲速、增勢以及應力值的計算設超聲縱波在零應力介質(zhì)中的傳播速度為v10,在有X-Z平面應力(主應力為σ1和σ2)時的傳播速度為v1,由參考文獻可得聲速與應力之間的關系為:即縱波聲速的相對變化與主應力之和成正比,其比例系數(shù)為S′,稱為縱波聲應力常數(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平面上兩主應力之和。當用超聲橫波傳入介質(zhì)時,若在零應力介質(zhì)中橫波聲速為v0,分解成沿主應力σ1和σ2方向的兩個橫波分量的傳播速度分別為v1和v2,由參考文獻可得如下關系:v1?v2v0=S(σ1?σ2)(3)v1-v2v0=S(σ1-σ2)(3)式中S為橫波聲應力常數(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平面上兩主應力差。利用式(1)和(3)可求得介質(zhì)的X-Z平面上的兩個主應力σ1和σ2。以上方程理論上可求出殘余應力的準確大小。但由于實際中很難準確測量聲速,使得該方法在實踐中的可操作性受到限制。1.2聲速殘余應力超聲波對比法測量殘余應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,進而得到殘余應力的變化情況。當試件內(nèi)部殘余應力改變100MPa時,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,可利用聲程的改變判斷殘余應力的變化,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,試驗了殘余應力變化對聲程的影響。2剩余電壓的比較試驗2.1測量測試方法實驗采用QSK-958全電腦超聲波探傷儀以及適應各種結(jié)構(gòu)形狀的探頭。儀器設備的主要技術參數(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ldB;動態(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,靈敏度余量>66dB;遠距離補償為鋼中縱波補償12000mm;鋼中橫波補償5000mm。外形尺寸為280mm×240mm×110mm。實驗中使用橫波發(fā)射,波速為3240m/s,折射角k=58°,探頭頻率為2.5MHz。選用10個試件進行比較分析,試件材料為鋁合金LY12,尺寸如圖1所示。10個試件加工條件完全相同,并在加工后置于室溫放置15d。拉伸設備采用WDW3050萬能材料拉伸機,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十字劃痕的交點,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WDW3050萬能材料拉伸機上拉至塑性變形,再測得已標定位置回波波峰處的聲程平均值L=30.3mm,在偏離中心的標定位置以折射角K=58°的斜探頭探測塑性變形區(qū)內(nèi)的點。由于試件變形量較小,標定點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)的殘余拉應力增大,超聲波測得的聲程降低。其余9個試件重復以上步驟,保持相同的變形量,分別測得標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,試件金屬組織細化導致的。以上研究結(jié)果表明,在無法準確測得或不需要確定試件內(nèi)部真實殘余應力值的情況下,可通過超聲波對比法得到試件加工前后殘余應力的變化情況。該方法提高了在實際生產(chǎn)中應用超聲波方法測試殘余應力的實用性和可操作性。3材料殘余應力測定超聲波對比測試實驗表明,材料經(jīng)拉伸塑性變形后