[发明专利]一种试样表面残余应力的无损检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种残余应力的检测方法，具体涉及一种表面残余应力的无损检测方法。

背景技术

残余应力是在外力作用下，以平衡状态存在于物体内部的应力，有时也被称为内应力或锁定应力。环境温度变化或诸如轧制、锻造、焊接等机械处理过程均引起材料局部塑性变形，从而产生残余应力。

在工业生产中，金属部件的工艺性能和服役寿命往往与金属材料内部的残余应力息息相关。在构件服役过程中，由于残余应力与外载荷相互叠加，构件会产生二次变形，这种局部不均匀的弹塑性变形会使材料晶格发生变化，导致局部残余应力重新分布，降低材料的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂能力等，引发早期的故障和安全事故。在某些情况下，残余应力的存在也会有助于提高结构的完整性。例如，通过喷丸处理预制残余应力，改善材料中的应力分布和微观结构。从而有效延缓裂纹扩展速率，提高构件的疲劳寿命。所以，开展残余应力的表征研究，确定残余应力大小及分布情况尤为重要。

近年来，残余应力的检测方法一直是国内外学者和工程专家关注的焦点。为获得更为可靠评估结果，迄今为止针对不同类型部件的残余应力检测方法多达数十种，其中某些具体方法已经演变了几十年。根据测量方法对构件的损伤程度，这些测量方法大体可以分为三类：破坏性、半破坏性和非破坏性。破坏性和半破坏性技术，也称为机械检测方法。此类方法采用从样品中移除材料的方式来完全或部分消除应力，并通过测量由于应力释放产生的位移推断原始应力。非破坏性方法包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法等，这些技术通过测量与应力相关的参数计算残余应力。超声波残余应力检测的理论基础是声弹性理论，即固体中超声波速度取决于材料中的应力状态。其优点在于较高的准确性和分辨度、无损且没有辐射伤害、设备便携且具有良好的经济性。

超声无损检测中，超声波在入射到材料表面时会产生多种波型，包括在材料内部传播的体波(纵波、横波均属于体波)，和沿材料表面传播的Lcr 临界折射纵波、表面波等波型。在弹性材料中，利用超声波的横波和纵波测量得到的残余应力往往是沿材料厚度方向的平均值。然而，在工程领域，缺陷和裂纹更多集中在材料表面，而非材料内部。因此，超声无损检测中，经常应用表面波检测材料表面的应力状态。

目前，已有文献和专利提出应用表面波检测材料表面损伤区域的残余应力，例如，采用楔块法激发表面波测量表面波速度。楔块法所采用的装置如图1所示，包括待测试样103表面的用于激发超声表面波的楔块101、102。该楔块101、102通过相应两个平行夹板1051及将两个夹板1051紧固在一起的螺栓1052将激发楔块101和接收楔块102与一拉伸试样103夹紧固定，激发楔块101与接收楔块102均有一个贴合面1011、1021紧贴在拉深试样103 的表面上，拉伸试样103的两端由一拉伸试验机夹紧。该装置还包括两个超声波探头104、105，分别为宽带纵波探头104和窄带纵波探头105，其中宽带纵波探头104在激发楔块101的一个第一斜面1012上与激发楔块101耦合，所述第一斜面1012与拉伸试样103的表面的夹角为瑞利波激发角度；窄带纵波探头105在接收楔块102的一个第二斜面1022上与接收楔块102耦合，所述第二斜面1022与拉伸试样103的表面的夹角为瑞利角。所述第一斜面1012 与所述第二斜面1022彼此相对，使得宽带纵波探头104的发射路径、窄带纵波探头105的接收路径与拉伸试样103表面的法线能够处于同一平面上；且激发楔块101与接收楔块102彼此间隔一定距离，使得激发楔块101与接收楔块102之间的拉伸试样103的表面暴露在空气中。激发楔块101与接收楔块102以有机玻璃作为材料，与拉伸试样103之间填充有耦合剂。所述激发楔块101与接收楔块102的末端设有斜槽1013，避免反射波影响测量结果。由此，该装置可以通过宽带纵波探头104发出超声波纵波，该超声波纵波经激发楔块101的折射在拉伸试样103的表面上激发超声表面波，该超声表面波在拉伸试样103的表面上传播一段距离随后由接收楔块102接收该表面波并将该超声表面波折射为激发超声信号，激发楔块101与接收楔块102之间的距离即为超声表面波的传播距离。