CN104048786A - 一种超声波无损测量金属板材内部残余应力场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测领域，涉及一种超声波无损测量金属板材内部残余应力场的方法。本发明提出一种超声波无损测量金属薄板内部残余应力场的方法，有利于对金属薄板内部残余应力进行无损评价。该方法的单次测量时间约20秒，仅为传统X射线测量残余应力方法单次测量时间的几十分之一，检测速度快，同时，该方法的测量深度可以调节，最大深度能达到3mm，是X射线法测量深度的几十倍，因此测量深度大，第三，该方法提供了一种测量板材内部大范围残余应力分布的方法，能够获得残余应力分布的三维图或等高线图，第四，该方法单次测量的成本仅为X射线法的几十分之一，具有明显的经济性，第五，该方法无放射性，与X射线法相比使用更加安全。

Description

一种超声波无损测量金属板材内部残余应力场的方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及一种超声波无损测量金属板材内部残余应力场的方法。

背景技术

金属薄板在轧制或热处理过程中经常产生起皱、翘曲等变形，为了消除这些变形，获得平整的板型，需要经过矫平工序。在这一工序中，由于板材不同位置的变形量不同，将使其不同部位产生大小不一的残余应力。残余应力的存在将对板材的力学性特别是疲劳性能产生影响，使板材的疲劳裂纹扩展速率增加，影响产品合格率。同时，如果在板材的局部区域存在过高的残余拉应力，将对板材的使用安全性构成威胁。因此，迫切需要一种能够无损评价板材内部残余应力的方法。

传统的无损评价残余应力方法主要是X射线法和巴克豪森噪声法，但它们的穿透深度较浅，前者只能测量材料表面几十最多上百微米范围内的残余应力，后者的测量深度也不超过0.3mm。而对板材力学性能造成影响的主要是其内部较深部位的残余应力。另一方面，上述两种传统方法的测量效率较低，很难通过对不同位置的测量反映出板材中的残余应力场。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种超声波无损测量金属板材内部残余应力场的方法，

本发明的技术解决方案是：

(1)选择探头

根据待测金属板的材质和厚度选择探头，探头选择时需要遵循以下原则：第一，探头发出的在待测材料中传播的超声纵波波长处于板材厚度的10％到20％之间；第二，如使用圆形晶片探头，其晶片直径小于待测板材厚度的1.8倍，如使用方形晶片探头，晶片的最大边长小于板材厚度的2倍；

(2)楔块加工

2.1测量楔块材料中的纵波声速

将探头使用同轴电缆连接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接，在楔块材料上加工出两个相对平行的平面，在其中一个平面上任选一点A，测量该点到相对平面的垂直距离S_楔块，将超声探头利用耦合剂耦合在A点上，通过示波器测量出超声波在相对平面上返回的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_楔块，楔块材料中的纵波声速C_楔块＝2S_楔块/t_楔块；

2.2测量待测金属板材中的纵波声速

仍采用2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量待测金属板材某一位置的厚度S_材料，将超声探头利用耦合剂耦合该位置上，通过示波器测量出此时超声波的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_材料，待测金属材料中的纵波声速C_材料＝2S_材料/t_材料；

2.3楔块加工

楔块的截面为等腰梯形，楔块的底面为矩形，楔块的厚度小于梯形底边的长度，梯形底角角度为α＝arcsin(C_楔块/C_材料)，在两相对的斜面上钻螺纹孔，螺纹孔的直径与探头的外径相匹配，螺纹孔的中心线与其所在斜面垂直，两个螺纹孔的中心线延长线分别与梯形底边相交的两个交点间的距离L＝15-100mm，

(3)测量标定

3.1连接设备

将两个探头分别安装在楔块的两个螺纹孔上；脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将任意一个探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，将另一探头接到多通道示波器的另一个接收接口；

3.2确定测量参数

在待测板材上分别沿轧制方向和宽展方向取下一个长200-300mm，宽10-30mm，厚度为板材厚度的拉伸试样，将楔块利用耦合剂耦合在拉伸试样任意轧制表面的中心，楔块底面的长度方向与拉伸试样的长度方向平行，打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量超声波发射信号与接收信号的时间间隔t₁，再将楔块耦合在拉伸试样另一轧制表面的中心，测量超声波发射信号与接收信号的时间间隔t₂，将t₁和t₂的算数平均值称为零应力时间t₀，对拉伸试样施加轴向拉伸应力，直到轴向拉伸应力达到拉伸试样屈服强度的70％-80％，在加载过程中，载荷每增加10-100MPa，记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，以载荷为纵坐标，以超声波发射信号与接收信号的时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制载荷与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K；

(4)残余应力场测量

4.1测量各点的声传播时间

将楔块耦合在待测金属板材表面，楔块底面的长度方向与待测金属板材的轧制方向平行，移动楔块对待测金属板材进行扫查，在每行扫查过程中，楔块每前进20～150mm读取并记录一次超声波发射信号与接收信号的时间间隔，每行之间的距离为10～200mm，直到整个待测金属板材扫描完毕，将楔块底面的长度方向与待测金属板材的宽展方向平行，采用上述扫查方式再进行一次扫查，完成上述两次扫查后，再对金属板材的另一个轧制面进行同样的两次扫查；

4.2计算各点的残余应力

待测金属板材各测量区域的残余应力用以下公式计算：

σ_i＝K(t_i-t₀)

式中：σ_i代表各区域的残余应力，K代表声弹性系数，t_i代表每一区域测得的超声波发射信号与接收信号之间的时间间隔，t₀代表零应力时间，

4.3绘制残余应力场图

以楔块每次测量时的中心位置与待测金属板材轧制面的两个邻边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，以每次测量时的残余应力值为竖坐标，绘制残余应力三维分布图；或者以楔块每次测量时的中心位置与待测金属板材轧制面的两个邻边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，连接测得的残余应力值相同的点，绘制残余应力等高线图。

本发明的工作原理是：

超声波在材料中的传播速度会在一定程度上受到材料中应力的影响，这一现象被称为超声波的“声弹性效应”。另一方面，超声波通过速度不同的两种介质的界面时会发生反射和折射，其中以第一临界角入射的超声纵波在折射介质中会产生临界折射纵波。这一波形对材料的组织结构不敏感，但对材料中的应力最为敏感，本发明就是利用了这一波形传播速度的变化反应金属薄板中不同位置之间的残余应力差异，进而以扫查的方式描述薄板中的残余应力场。

传统的残余应力测量方法主要存在测量深度浅、测量效率低两个方面的问题。一方面，X射线残余应力测量方法或巴克豪森噪声残余应力测量方法的测量深度不超过0.3mm，难以反映出对板材力学性能造成影响的残余应力。另一方面，传统方法的测量效率较低，X射线法测量0.3mm²范围内的残余应力需要3-5分钟，而金属薄板产品的尺寸通常达到几平方米，利用现有方法难以对整块产品各个部位的残余应力场进行测量。

针对第一个问题，采用超声临界折射纵波可以测量其传播路径上残余应力的平均大小，并且该波形的传播深度与其波长有关，通过调整探头频率，可以获得传播深度在0.25-8mm的临界折射纵波，调整测量深度。从而实现了对较深部位残余应力的测量。

针对第二个问题，超声应力测量的效率较高，其一次测量的面积约200mm²，单次手工测量用时约15秒，如果采用自动设备代替手工测量，单次测量时间将可能小于1秒。与传统方法相比效率有了大幅度的提高，从而为大面积金属薄板各部位残余应力的测量提供了可能，进而描述其残余应力场。

本发明的优点是：

本发明提出一种超声波无损测量金属薄板内部残余应力场的方法，有利于对金属薄板内部残余应力进行无损评价。该方法的单次测量时间约20秒，仅为传统X射线测量残余应力方法单次测量时间的几十分之一，检测速度快，同时，该方法的测量深度可以调节，最大深度能达到3mm，是X射线法测量深度的几十倍，因此测量深度大，第三，该方法提供了一种测量板材内部大范围残余应力分布的方法，能够获得残余应力分布的三维图或等高线图，第四，该方法单次测量的成本仅为X射线法的几十分之一，具有明显的经济性，第五，该方法无放射性，与X射线法相比使用更加安全。

附图说明

图1为楔块形状示意图；

图2为扫查路径示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

该种超声波无损测量金属薄板内部残余应力场的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)选择探头

根据待测金属薄板的材质和厚度选择探头，探头选择时需要遵循以下原则：第一，探头发出的在待测材料中传播的超声纵波波长处于板材厚度的10％到20％之间；第二，如使用圆形晶片探头，其晶片直径小于待测板材厚度的1.8倍，如使用方形晶片探头，晶片的最大边长小于板材厚度的2倍。

(2)楔块加工

2.1测量楔块材料中的纵波声速

将探头使用同轴电缆连接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接。在楔块材料上加工出两个相对的平行平面，在其中一个面上任选一点A，使用游标卡尺或千分尺测量该点到相对平面的垂直距离S_楔块。将超声探头利用耦合剂耦合在A点上，通过示波器测量出超声波在相对平面上返回的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_楔块。楔块材料中的纵波声速C_楔块＝2S_楔块/t_楔块。

2.2测量待测金属材料中的纵波声速

仍采用2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器。使用游标卡尺或千分尺测量待测金属材料某一位置的厚度S_材料。将超声探头利用耦合剂耦合该位置上，通过示波器测量出此时超声波的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_材料。待测金属材料中的纵波声速C_材料＝2S_材料/t_材料。

2.3楔块加工

将楔块材料加工成如附图1所示的形状，其中L＝15-100mm，α＝arcsin(C_楔块/C_材料)

(3)测量标定

3.1连接设备

将探头安装在楔块上；脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将任意一个探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，将另一探头接到多通道示波器的另一个接收接口。

3.2确定测量参数

在待测板材上分别沿轧制方向和宽展方向取下一个长200-300mm，宽10-30mm，厚度为板材厚度的拉伸试样。将楔块利用耦合剂耦合在拉伸试样任意轧制表面的中心，楔块的长度方向与拉伸试样的长度方向平行。打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₁。再将楔块耦合在拉伸试样另一轧制表面的中心，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₂，将t₁和t₂的算数平均值称为零应力时间t₀。对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸应力，直到轴向拉伸应力达到拉伸试样屈服强度的70％-80％，在加载过程中，载荷每增加10-100MPa，记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔。以载荷为纵坐标，以发射脉冲与接收脉冲的时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制载荷与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K。

(4)残余应力场测量

4.1测量各点的声传播时间

将楔块耦合在待测金属薄板表面，楔块的长度方向与待测金属薄板的轧制方向平行。移动楔块对待测金属薄板进行扫查，在每行扫查过程中，楔块每前进20～150mm读取并记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，每行之间的距离为10～200mm，直到整个待测金属薄板扫描完毕。将楔块的长度方向与待测金属薄板的宽展方向平行，采用上述扫查方式再进行一次扫查，如图2所示。完成上述两次扫查后再对薄板的另一个轧制面进行同样的两次扫查。

4.2计算各点的残余应力

待测金属薄板各测量区域的残余应力用以下公式计算：

σ_i＝K(t_i-t₀)

式中：σ_i代表各区域的残余应力，K代表声弹性系数，t_i代表每一区域测得的发射波与接收波之间的时间间隔，t₀代表零应力时间。

4.3绘制残余应力场图

以楔块每次测量时的中心位置与待测金属薄板两个侧边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，以每次测量时的残余应力值为竖坐标，绘制残余应力三维分布图；或者以楔块每次测量时的中心位置与待测金属薄板两个侧边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，连接测得的残余应力值相同的点，绘制残余应力等高线图。

实施例1

牌号为7050的铝合金冷轧板，长2000mm，宽1500mm，厚5mm。其检测步骤如下：

(1)选择探头

选择两个晶片直径为9mm，频率为5MHz的超声纵波探头。

(2)楔块加工

2.1测量楔块材料中的纵波声速

将探头使用同轴电缆连接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接。在楔块材料上加工出两个相对的平行平面，在其中一个面上任选一点A，使用游标卡尺或千分尺测量该点到相对平面的垂直距离S_楔块＝15.0毫米。将超声探头利用耦合剂耦合在A点上，通过示波器测量出超声波在相对平面上返回的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_楔块＝9.677微秒。楔块材料中的纵波声速C_楔块＝2S_楔块/t_楔块＝3100米/秒。

2.2测量待测金属材料中的纵波声速

仍采用2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器。使用游标卡尺或千分尺测量待测金属材料某一位置的厚度S_材料＝5.03毫米。将超声探头利用耦合剂耦合该位置上，通过示波器测量出此时超声波的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_材料＝1.590微秒。待测金属材料中的纵波声速C_材料＝2S_材料/t_材料＝6327米/秒。

2.3楔块加工

将楔块材料加工成如附图1所示的形状，其中L＝50mm，α＝arcsin(C_楔块/C_材料)＝29.3°

(3)测量标定

3.1连接设备

将探头安装在楔块上；脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将任意一个探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，将另一探头接到多通道示波器的另一个接收接口。

3.2确定测量参数

在待测板材上分别沿轧制方向和宽展方向取下一个长250mm，宽25mm，厚度为板材厚度的拉伸试样。将楔块利用耦合剂耦合在拉伸试样任意轧制表面的中心，楔块的长度方向与拉伸试样的长度方向平行。打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₁＝14.286微秒。再将楔块耦合在拉伸试样另一轧制表面的中心，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₂＝14.292微秒，t₁和t₂的算数平均值称为零应力时间t₀＝14.289微秒。对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸应力，直到轴向拉伸应力达到拉伸试样屈服强度的80％，在加载过程中，载荷每增加50MPa，记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔。以载荷为纵坐标，以发射脉冲与接收脉冲的时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制载荷与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K＝5.25兆帕/纳秒。

(4)残余应力场测量

4.1测量各点的声传播时间

将楔块耦合在待测金属薄板表面，楔块的长度方向与待测金属薄板的轧制方向平行。移动楔块对待测金属薄板进行扫查，在每行扫查过程中，楔块每前进100mm读取并记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，每行之间的距离为100mm，直到整个待测金属薄板扫描完毕。将楔块的长度方向与待测金属薄板的宽展方向平行，采用上述扫查方式再进行一次扫查，如图2所示。完成上述两次扫查后再对薄板的另一个轧制面进行同样的两次扫查。

4.2计算各点的残余应力

待测金属薄板各测量区域的残余应力用以下公式计算：

σ_i＝K(t_i-t₀)

式中：σ_i代表各区域的残余应力，K代表声弹性系数，t_i代表每一区域测得的发射波与接收波之间的时间间隔，t₀代表零应力时间。

4.3绘制残余应力场图

以楔块每次测量时的中心位置与待测金属薄板两个侧边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，以每次测量时的残余应力值为竖坐标，绘制残余应力三维分布图。

实施例2

牌号为H80的铜合金冷轧板，长500mm，宽100mm，厚3mm。其检测步骤如下：

(1)选择探头

选择两个晶片直径为6mm，频率为10MHz的超声纵波探头。

(2)楔块加工

2.1测量楔块材料中的纵波声速

将探头使用同轴电缆连接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接。在楔块材料上加工出两个相对的平行平面，在其中一个面上任选一点A，使用游标卡尺或千分尺测量该点到相对平面的垂直距离S_楔块＝21.5毫米。将超声探头利用耦合剂耦合在A点上，通过示波器测量出超声波在相对平面上返回的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_楔块＝14.064微秒。楔块材料中的纵波声速C_楔块＝2S_楔块/t_楔块＝3057米/秒。

2.2测量待测金属材料中的纵波声速

仍采用2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器。使用游标卡尺或千分尺测量待测金属材料某一位置的厚度S_材料＝3.05毫米。将超声探头利用耦合剂耦合该位置上，通过示波器测量出此时超声波的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_材料＝1.305微秒。待测金属材料中的纵波声速C_材料＝2S_材料/t_材料＝4674米/秒。

2.3楔块加工

将楔块材料加工成如附图1所示的形状，其中L＝40mm，α＝arcsin(C_材料/C_楔块)＝40.8°

(3)测量标定

3.1连接设备

将探头安装在楔块上；脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将任意一个探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，将另一探头接到多通道示波器的另一个接收接口。

3.2确定测量参数

在待测板材上分别沿轧制方向和宽展方向取下一个长200mm，宽20mm，厚度为板材厚度的拉伸试样。将楔块利用耦合剂耦合在拉伸试样任意轧制表面的中心，楔块的长度方向与拉伸试样的长度方向平行。打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₁＝12.766微秒。再将楔块耦合在拉伸试样另一轧制表面的中心，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₂＝12.770微秒，t₁和t₂的算数平均值称为零应力时间t₀＝12.768微秒。对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸应力，直到轴向拉伸应力达到拉伸试样屈服强度的70％，在加载过程中，载荷每增加20MPa，记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔。以载荷为纵坐标，以发射脉冲与接收脉冲的时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制载荷与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K＝10.25兆帕/纳秒。

(4)残余应力场测量

4.1测量各点的声传播时间

将楔块耦合在待测金属薄板表面，楔块的长度方向与待测金属薄板的轧制方向平行。移动楔块对待测金属薄板进行扫查，在每行扫查过程中，楔块每前进50mm读取并记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，每行之间的距离为10mm，直到整个待测金属薄板扫描完毕。将楔块的长度方向与待测金属薄板的宽展方向平行，采用上述扫查方式再进行一次扫查，如图2所示。完成上述两次扫查后再对薄板的另一个轧制面进行同样的两次扫查。

4.2计算各点的残余应力

待测金属薄板各测量区域的残余应力用以下公式计算：

σ_i＝K(t_i-t₀)

式中：σ_i代表各区域的残余应力，K代表声弹性系数，t_i代表每一区域测得的发射波与接收波之间的时间间隔，t₀代表零应力时间。

4.3绘制残余应力场图

以楔块每次测量时的中心位置与待测金属薄板两个侧边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，连接测得的残余应力值相同的点，绘制残余应力等高线图。

实施例3

牌号为08AL的冷轧钢板，长2000mm，宽500mm，厚6mm。其检测步骤如下：

(1)选择探头

选择两个晶片直径为6mm，频率为10MHz的超声纵波探头。

(2)楔块加工

2.1测量楔块材料中的纵波声速

将探头使用同轴电缆连接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接。在楔块材料上加工出两个相对的平行平面，在其中一个面上任选一点A，使用游标卡尺或千分尺测量该点到相对平面的垂直距离S_楔块＝11.5毫米。将超声探头利用耦合剂耦合在A点上，通过示波器测量出超声波在相对平面上返回的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_楔块＝7.933微秒。楔块材料中的纵波声速C_楔块＝2S_楔块/t_楔块＝2899米/秒。

2.2测量待测金属材料中的纵波声速

仍采用2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器。使用游标卡尺或千分尺测量待测金属材料某一位置的厚度S_材料＝5.97毫米。将超声探头利用耦合剂耦合该位置上，通过示波器测量出此时超声波的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_材料＝2.015微秒。待测金属材料中的纵波声速C_材料＝2S_材料/t_材料＝5926米/秒。

2.3楔块加工

将楔块材料加工成如附图1所示的形状，其中L＝100mm，α＝arcsin(C_材料/C_楔块)＝29°

(3)测量标定

3.1连接设备

将探头安装在楔块上；脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将任意一个探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，将另一探头接到多通道示波器的另一个接收接口。

3.2确定测量参数

在待测板材上分别沿轧制方向和宽展方向取下一个长200mm，宽20mm，厚度为板材厚度的拉伸试样。将楔块利用耦合剂耦合在拉伸试样任意轧制表面的中心，楔块的长度方向与拉伸试样的长度方向平行。打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₁＝23.728微秒。再将楔块耦合在拉伸试样另一轧制表面的中心，测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t₂＝23.722微秒，t₁和t₂的算数平均值称为零应力时间t₀＝23.725微秒。对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸应力，直到轴向拉伸应力达到拉伸试样屈服强度的75％，在加载过程中，载荷每增加40MPa，记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔。以载荷为纵坐标，以发射脉冲与接收脉冲的时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制载荷与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K＝25.3兆帕/纳秒。

(4)残余应力场测量

4.1测量各点的声传播时间

将楔块耦合在待测金属薄板表面，楔块的长度方向与待测金属薄板的轧制方向平行。移动楔块对待测金属薄板进行扫查，在每行扫查过程中，楔块每前进50mm读取并记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，每行之间的距离为10mm，直到整个待测金属薄板扫描完毕。将楔块的长度方向与待测金属薄板的宽展方向平行，采用上述扫查方式再进行一次扫查，如图2所示。完成上述两次扫查后再对薄板的另一个轧制面进行同样的两次扫查。

4.2计算各点的残余应力

待测金属薄板各测量区域的残余应力用以下公式计算：

σ_i＝K(t_i-t₀)

式中：σ_i代表各区域的残余应力，K代表声弹性系数，t_i代表每一区域测得的发射波与接收波之间的时间间隔，t₀代表零应力时间。

4.3绘制残余应力场图

以楔块每次测量时的中心位置与待测金属薄板两个侧边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，以每次测量时的残余应力值为竖坐标，绘制残余应力三维分布图

Claims (1)

1.一种超声波无损测量金属板内部残余应力场的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)选择探头

根据待测金属板的材质和厚度选择探头，探头选择时需要遵循以下原则：第一，探头发出的在待测材料中传播的超声纵波波长处于板材厚度的10％到20％之间；第二，如使用圆形晶片探头，其晶片直径小于待测板材厚度的1.8倍，如使用方形晶片探头，晶片的最大边长小于板材厚度的2倍；

(2)楔块加工

2.1测量楔块材料中的纵波声速

将探头使用同轴电缆连接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接，在楔块材料上加工出两个相对平行的平面，在其中一个平面上任选一点A，测量该点到相对平面的垂直距离S_楔块，将超声探头利用耦合剂耦合在A点上，通过示波器测量出超声波在相对平面上返回的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_楔块，楔块材料中的纵波声速C_楔块＝2S_楔块/t_楔块；

2.2测量待测金属板材中的纵波声速

仍采用2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量待测金属板材某一位置的厚度S_材料，将超声探头利用耦合剂耦合该位置上，通过示波器测量出此时超声波的一次底波和二次底波之间的时间间隔t_材料，待测金属材料中的纵波声速C_材料＝2S_材料/t_材料；

2.3楔块加工

楔块的截面为等腰梯形，楔块的底面为矩形，楔块的厚度小于梯形底边的长度，梯形底角角度为α＝arcsin(C_楔块/C_材料)，在两相对的斜面上钻螺纹孔，螺纹孔的直径与探头的外径相匹配，螺纹孔的中心线与其所在斜面垂直，两个螺纹孔的中心线延长线分别与梯形底边相交的两个交点间的距离L＝15-100mm，

(3)测量标定

3.1连接设备

将两个探头分别安装在楔块的两个螺纹孔上；脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将任意一个探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，将另一探头接到多通道示波器的另一个接收接口；

3.2确定测量参数

在待测板材上分别沿轧制方向和宽展方向取下一个长200-300mm，宽10-30mm，厚度为板材厚度的拉伸试样，将楔块利用耦合剂耦合在拉伸试样任意轧制表面的中心，楔块底面的长度方向与拉伸试样的长度方向平行，打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，测量超声波发射信号与接收信号的时间间隔t₁，再将楔块耦合在拉伸试样另一轧制表面的中心，测量超声波发射信号与接收信号的时间间隔t₂，将t₁和t₂的算数平均值称为零应力时间t₀，对拉伸试样施加轴向拉伸应力，直到轴向拉伸应力达到拉伸试样屈服强度的70％-80％，在加载过程中，载荷每增加10-100MPa，记录一次发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，以载荷为纵坐标，以超声波发射信号与接收信号的时间间隔为横坐标，在直角坐标系上绘制载荷与时间间隔关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为声弹性系数K；

(4)残余应力场测量

4.1测量各点的声传播时间

将楔块耦合在待测金属板材表面，楔块底面的长度方向与待测金属板材的轧制方向平行，移动楔块对待测金属板材进行扫查，在每行扫查过程中，楔块每前进20～150mm读取并记录一次超声波发射信号与接收信号的时间间隔，每行之间的距离为10～200mm，直到整个待测金属板材扫描完毕，将楔块底面的长度方向与待测金属板材的宽展方向平行，采用上述扫查方式再进行一次扫查，完成上述两次扫查后，再对金属板材的另一个轧制面进行同样的两次扫查；

4.2计算各点的残余应力

待测金属板材各测量区域的残余应力用以下公式计算：

σ_i＝K(t_i-t₀)

式中：σ_i代表各区域的残余应力，K代表声弹性系数，t_i代表每一区域测得的超声波发射信号与接收信号之间的时间间隔，t₀代表零应力时间，

4.3绘制残余应力场图

以楔块每次测量时的中心位置与待测金属板材轧制面的两个邻边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，以每次测量时的残余应力值为竖坐标，绘制残余应力三维分布图；或者以楔块每次测量时的中心位置与待测金属板材轧制面的两个邻边的距离分别为直角坐标系的横坐标和纵坐标，连接测得的残余应力值相同的点，绘制残余应力等高线图。