超声波法测定残余应力的原理及其应用

　　1.前言

　　残余应力作为一种内应力,其对材料各项性能的影响越来越受到人们的关注。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,是无损测量方法中颇具发展潜力的一种方法。现介绍一方法的原理及其应用。

　　2.基本原理

　　超声波法是利用声双折射现象的。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。

　　近10年来,由于发射和检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变化,测量出这些变化以后便可计算出作用在物体上的外力或残余应力。超声波实验应力分析方法现引起了各国实验应力工作者的极大关注。

　　3.计算方法

　　3.1超声波检测试件内部应力的原理

　　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,σ2)时的传播速度为V1,KinoG.S导出了声速与应力之间的关系如下:

　　即纵波声速的相对变化与主应力和成正比,其比例系数为Sc,称为纵波速应力常数,且

　　式中,μ、λ为介质拉梅常数,l、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Sc可以确定,只要测出V10、V1即可求得X-Z平面上两主应力之和。见图2所示。