[發明專利]一種試樣表面殘余應力的無損檢測方法

在審

• 申請號: 201710566113.1
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107328860A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 項延訓;軒福貞;涂善東;劉長軍;李昀澤
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01N29/24
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 鄧琪

技術領域

本發明涉及一種殘余應力的檢測方法，具體涉及一種表面殘余應力的無損檢測方法。

背景技術

殘余應力是在外力作用下，以平衡狀態存在于物體內部的應力，有時也被稱為內應力或鎖定應力。環境溫度變化或諸如軋制、鍛造、焊接等機械處理過程均引起材料局部塑性變形，從而產生殘余應力。

在工業生產中，金屬部件的工藝性能和服役壽命往往與金屬材料內部的殘余應力息息相關。在構件服役過程中，由于殘余應力與外載荷相互疊加，構件會產生二次變形，這種局部不均勻的彈塑性變形會使材料晶格發生變化，導致局部殘余應力重新分布，降低材料的抗疲勞強度、抗脆斷能力、抗應力腐蝕開裂能力等，引發早期的故障和安全事故。在某些情況下，殘余應力的存在也會有助于提高結構的完整性。例如，通過噴丸處理預制殘余應力，改善材料中的應力分布和微觀結構。從而有效延緩裂紋擴展速率，提高構件的疲勞壽命。所以，開展殘余應力的表征研究，確定殘余應力大小及分布情況尤為重要。

近年來，殘余應力的檢測方法一直是國內外學者和工程專家關注的焦點。為獲得更為可靠評估結果，迄今為止針對不同類型部件的殘余應力檢測方法多達數十種，其中某些具體方法已經演變了幾十年。根據測量方法對構件的損傷程度，這些測量方法大體可以分為三類：破壞性、半破壞性和非破壞性。破壞性和半破壞性技術，也稱為機械檢測方法。此類方法采用從樣品中移除材料的方式來完全或部分消除應力，并通過測量由于應力釋放產生的位移推斷原始應力。非破壞性方法包括X射線衍射法、中子衍射法、超聲波法等，這些技術通過測量與應力相關的參數計算殘余應力。超聲波殘余應力檢測的理論基礎是聲彈性理論，即固體中超聲波速度取決于材料中的應力狀態。其優點在于較高的準確性和分辨度、無損且沒有輻射傷害、設備便攜且具有良好的經濟性。

超聲無損檢測中，超聲波在入射到材料表面時會產生多種波型，包括在材料內部傳播的體波(縱波、橫波均屬于體波)，和沿材料表面傳播的Lcr 臨界折射縱波、表面波等波型。在彈性材料中，利用超聲波的橫波和縱波測量得到的殘余應力往往是沿材料厚度方向的平均值。然而，在工程領域，缺陷和裂紋更多集中在材料表面，而非材料內部。因此，超聲無損檢測中，經常應用表面波檢測材料表面的應力狀態。

目前，已有文獻和專利提出應用表面波檢測材料表面損傷區域的殘余應力，例如，采用楔塊法激發表面波測量表面波速度。楔塊法所采用的裝置如圖1所示，包括待測試樣103表面的用于激發超聲表面波的楔塊101、102。該楔塊101、102通過相應兩個平行夾板1051及將兩個夾板1051緊固在一起的螺栓1052將激發楔塊101和接收楔塊102與一拉伸試樣103夾緊固定，激發楔塊101與接收楔塊102均有一個貼合面1011、1021緊貼在拉深試樣103 的表面上，拉伸試樣103的兩端由一拉伸試驗機夾緊。該裝置還包括兩個超聲波探頭104、105，分別為寬帶縱波探頭104和窄帶縱波探頭105，其中寬帶縱波探頭104在激發楔塊101的一個第一斜面1012上與激發楔塊101耦合，所述第一斜面1012與拉伸試樣103的表面的夾角為瑞利波激發角度；窄帶縱波探頭105在接收楔塊102的一個第二斜面1022上與接收楔塊102耦合，所述第二斜面1022與拉伸試樣103的表面的夾角為瑞利角。所述第一斜面1012 與所述第二斜面1022彼此相對，使得寬帶縱波探頭104的發射路徑、窄帶縱波探頭105的接收路徑與拉伸試樣103表面的法線能夠處于同一平面上；且激發楔塊101與接收楔塊102彼此間隔一定距離，使得激發楔塊101與接收楔塊102之間的拉伸試樣103的表面暴露在空氣中。激發楔塊101與接收楔塊102以有機玻璃作為材料，與拉伸試樣103之間填充有耦合劑。所述激發楔塊101與接收楔塊102的末端設有斜槽1013，避免反射波影響測量結果。由此，該裝置可以通過寬帶縱波探頭104發出超聲波縱波，該超聲波縱波經激發楔塊101的折射在拉伸試樣103的表面上激發超聲表面波，該超聲表面波在拉伸試樣103的表面上傳播一段距離隨后由接收楔塊102接收該表面波并將該超聲表面波折射為激發超聲信號，激發楔塊101與接收楔塊102之間的距離即為超聲表面波的傳播距離。