残余应力之超声检测方法

物体由于各种外部因素（外力、温度场变化、机加工处理等）而产生变形时，在内部产生相互作用的内力，这种单位面积上的内力成为应力，而当这些外部因素去除后，在物体内部仍存在的应力被称为残余应力，如图1所示^[1]。

图1残余应力示意图

二、残余应力的分类

按影响范围来分，残余应力分为三类^[2]：

类内应力：存在于整个物体内部，又称宏观残余应力；

第二类内应力：存在于较小范围内，是由晶粒之间的变形不均匀性产生的，又称微观残余应力；

第三类内应力：存在于小范围内，应力在个别晶格内平衡，又称晶格畸变残余应力。

三、残余应力的危害

1、对屈服限有影响；

2、对疲劳寿命有影响；

3、对构件变形有影响；

4、对脆性破坏有影响；

5、对应力腐蚀开裂有影响等。

四、残余应力的检测

1、盲孔法：

盲孔法测量残余应力^[3]是指，在待测试件上钻一个小孔，由于小孔附近的残余应力被释放，小孔附近的残余应力场就会发生变化，只要测量出局部区域的应变变化，就可以计算出孔释放前的残余应力值。该方法测得的数值较准确，但因属于有损性测试，在实际应用中受到限制。

2、X-RAD衍射法：

根据现有研究理论，当材料内部存在一定的残余应力时，它会使X-RAD的衍射峰发生改变，通过用测量被测材料的衍射峰的位移情况，就可以求得材料的残余应力，这是使用X-RAD衍射方法进行应力检测的原理^[4]。通过X-RAD衍射法进行残余应力检测，虽然其准确度较为可靠，但是其检测费用较高，且对人体有辐射的风险。

图5与X射线衍射应力测试相关的正交坐标系

3、磁测法：

磁测法^[5]残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。对于平面应力状态，理论分析和实验研究证明，主应力差和两个方向的电流差近似地存在着单值线性关系其表达式：

其中：─主应力，MPa；

─主应力，MPa；

─主应力方向电流输出值，mA；

─主应力方向电流输出值，mA；

─灵敏系数，mA/MPa（由标定试验确定，仪器给出一般结构钢的参考值）

虽然该方法测量快速，但是可靠性和精度较差，能耗高。

4、超声波法：

超声波测残余应力的原理主要是利用材料的声弹理论，也就是说材料加载应力的变化会导致超声波在材料内部传播速度的变化，速度快慢取决于超声波入射的波型、传播方向和材料内部应力等情况，一般来说，我们会事先确定好入射波形及传播方向，后面只需要通过准确测定超声波在材料内传播速度的变化，就能得出残余应力的变化。超声测残余应力是一种无损的方法，具有快速便携等特性，并且有着宽广的应用领域。

五、残余应力的超声检测原

依据声弹性原理^[6]，材料中的残余应力影响超声波传播速度，当残余应力方向与纵波方向一致时，拉伸应力使超声波传播速度变慢或传播时间T延长，压缩应力使超声波传播速度加快或传播时间T缩短，因此，在激励和接收换能器间距离固定的条件下，若已知零应力s₀对应的超声传播时间T₀，通过检测被测应力状态s下对应的超声波传播时间T，就可根据时间差DT求出被检测材料中的切向残余应力s，见式（1）。

       （1）

式中：

K——定义为应力系数，需针对特定的换能器配置和被测材料通过标定得到；

Ds ——切向残余应力的变化量；

DT ——超声波传播时间的变化量；

基于超声临界折射纵波法检测到的切向残余应力是激励超声换能器与接收换能器之间的三维体积范围内的宏观残余应力，其检测示意图如图6所示。

检测结果的正值表示拉伸应力，负值表示压缩应力，零值表示无应力。

图6检测原理示意图

六、超声应力仪的介绍

超声应力仪是利用了被测对象中声速与应力之间的存在固有的关系，并将这种特性转为数字信号表征的力学定量检测产品。

超声应力仪具有以下特点：对被测对象零损伤；测量快速；测量深度较大；操作安全等。

性能指标如下：应力测量精度可达±10Mpa以内，分辨率为0.37*MPa（为声弹系数），声时差分辨率不低于0.37ns；单点重复测试500次，测量值波动不超过±1.1*MPa；自动辨识拉、压应力等。

在利用超声应力仪检测残余应力时，首先需对测试对象进行标定实验，以获取应力系数，是利用超声应力仪对拉伸试件进行标定实验。

在进行应力测量时，一般有以下3个步骤：①采集基准信号；②设置闸门；③加载对应材料的应力系数。待上述步骤完成后，便可对检测对象进行应力测试。

超声应力仪的检测对象包括：金属、有机材料、玻璃、非金属复合材料、陶瓷等，不仅可以检测表面应力（如残余应力），还可以检测内部应力（如螺栓预紧力）。

同时，该仪器具有以下特点：对被测对象零损伤；单点测试时间不超过5s；测量深度较大，近表面应力检测深度2mm左右，体应力检测深度10mm以上；操作安全，无需防护；既可测量应力，也可检测试件内部的缺陷，还可用于高精度测厚等。

七、钢研纳克无损检测事业部应力测试相关业务

1、应力测试：

钢研纳克无损检测事业部可依据标准GB/T32073-2015《残余应力超声临界折射纵波检测方法》开展参与超声应力检测。

2、应力测试仪器

同时钢研纳克无损检测事业部依托科技部重大科学仪器产业化项目研制的微磁检测仪器，可实现应力的微磁检测。

图8微磁应力检测仪

3、应力测试仪器校准

同时钢研纳克无损校准可对超声、微磁等残余应力检测仪进行校准测试服务。

1. 

参考文献

2. 

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/MoU47xfKZ95hV7ZNQwXyhw

[2]M. Rabung,I. Altpeter,C. Boller,G. Dobmann,H.G. Herrmann.Non-destructive evaluation of the micro residual stresses of IIIrdorder by using micro magnetic methods[J]. NDT and EInternational,2014,63.

[3]GB/T 31310-2014, 金属材料　残余应力测定　钻孔应变法[S].

[4]GB/T 39520-2020, 弹簧残余应力的X射线衍射测试方法[S].

[5]GB/T 33210-2016, 无损检测　残余应力的电磁检测方法[S].

[6]GB/T 32073-2015, 无损检测　残余应力超声临界折射纵波检测方法[S].