CN107328860A

CN107328860A - 一种试样表面残余应力的无损检测方法

Info

Publication number: CN107328860A
Application number: CN201710566113.1A
Authority: CN
Inventors: 项延训; 轩福贞; 涂善东; 刘长军; 李昀泽
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2017-11-07

Abstract

本发明提供一种超声表面波声速测量系统，包括分别与控制装置和示波器相连的超声测试装置，该超声测试装置向探头竖直向下的聚焦换能器供电，接收该聚焦换能器的超声探头的信号，并将信号发送给示波器，聚焦换能器下方还设有试样槽，试样槽装有液体，聚焦换能器的超声探头浸没在所述液体中，驱动机构固定在试样槽上且与聚焦换能器相连。本发明由于只测量了传播了超声表面波的区域即聚焦换能器正对区域的超声表面波速度，且激发的超声表面波在材料内部的传播距离很小，因此实现了局部区域残余应力的检测；由于采用非接触式聚焦换能器激发表面波，所以本发明可以测量曲面结构表面残余应力，从而实现曲面结构残余应力的测量。

Description

一种试样表面残余应力的无损检测方法

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。

利用该装置，可以采用楔块法激发表面波并得到表面波的传播速度，具体包括如下步骤：首先，将超声纵波探头分别与制作楔块的材料和待测试样耦合，采用声时法测量超声纵波在两种材料中的传播速度。然后，根据表面波特性及Snell定律计算得到的楔块的瑞利波激发角度，制作能够激发和接收超声表面波的楔块(即激发楔块101和接收楔块2)，并测量超声表面波在特定距离内的传播时间。接着，将所述特定距离除以所述传播时间，可以计算出超声表面波的速度。

但是，该方法存在一定的局限性：(1)这种方法多采用“一发一收”或“一发两收”式，测量得到的结果往往是声通道内的平均值，难以测量局部区域的残余应力状态；(2)这种方法为接触式测量方法，只能适用于平面的表面残余应力的测量，但是对于种类繁多的金属构件，特别是对于航空发动机叶片等复杂结构或曲面构件，应用传统的残余应力检测方法难以获得定性和定量的结果。因此，亟需研究开发一种能够应用于曲面结构的残余应力检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种试样表面残余应力的无损检测方法，以实现局部区域的残余应力的检测和实现曲面结构表面的残余应力的检测。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超声表面波声速测量系统，包括一超声测试装置，该测试装置分别与一个控制装置和一示波器相连，其特征在于，所述超声测试装置向一探头竖直向下的聚焦换能器供电，接收该聚焦换能器的超声探头的信号，并将所述信号发送给示波器，所述聚焦换能器下方还设有一试样槽，所述试样槽装有液体，所述聚焦换能器的超声探头浸没在所述液体中，一驱动机构固定在所述试样槽上，且与一聚焦换能器相连。

测试装置所述驱动机构由控制装置控制。

所述控制装置为单片机或PC，所述驱动机构为步进电机。

所述驱动机构的步进精度为0.025mm到0.05mm；聚焦换能器的频率为 0.5MHz到50MHz。

所述驱动机构通过支架固定在所述试样槽上，且通过夹具和紧固件与一聚焦换能器相连。

本发明还提供一种试样表面残余应力的无损检测方法，包括：步骤S1，选择材料制作冲击试样和与所述冲击试样同一母材的多个拉伸试样；步骤 S2，测量所述拉伸试样的表面波速度-应力关系曲线；步骤S3，用权利要求1 所述的超声表面波声速测量系统测量所述冲击试样表面被测区域表面波的传播速度；步骤S4，根据所述冲击试样被测区域表面波的传播速度对照所述表面波速度-应力关系曲线，得到所述冲击试样被测区域的残余应力。

进一步地，S31中，所述冲击试样被表面水平地放置在所述试样槽中。

进一步地，步骤S3包括：步骤S31，将所述冲击试样置于权利要求1所述试样槽中，所述驱动机构沿竖直方向移动聚焦换能器，聚焦换能器的超声探头接收移动不同距离时超声波的信号幅值，得到所述超声波信号幅值随超声探头的移动距离的变化周期；步骤S32，根据所述变化周期计算得到所述冲击试样被测区域表面波的传播速度。

所述冲击试样被测区域表面波的传播速度可以通过下式计算：

f是超声波激励频率；Δz是所述聚焦换能器接收到的超声波信号幅值随超声探头的移动距离的变化周期；v_c是超声波在所述试样槽的液体中的传播速度，v_R是超声表面波在材料中的传播速度。

进一步地，S31中，所述冲击试样与聚焦换能器的间距为1mm-200mm，较佳采用55mm。

所述步骤S2采用楔块法激发表面波进行测量，得到所述拉伸试样的表面波速度-应力关系曲线。

本发明的超声表面波声速测量系统由于只测量了传播超声表面波的区域即聚焦换能器正对区域的超声表面波速度，激发的超声表面波在材料内部的传播距离很小，因此实现了局部区域超声波检测，进而实现局部区域残余应力的计算；由于采用液体耦合方式的聚焦换能器激发表面波，所以该方法可以测量曲面结构表面的超声波声速，并进行残余应力计算，从而实现曲面结构残余应力的测量，为复杂结构设备(如航空发动机叶片等)的在役检测提供了可能。此外，本发明采用单片机由控制驱动机构实现聚焦换能器的升降，节省了操作时间，提高了残余应力测量的精确性。

附图说明

图1是采用现有技术的楔块法激发表面波的装置的结构示意图；

图2是超声波聚焦换能器发射和接收超声波干涉波的原理图；

图3是根据本发明的一个实施例的超声表面波声速测量系统的连接示意图；

图4是如图3所示的超声表面波声速测量系统的聚焦换能器安装在水槽上的示意图；

图5是冲击试样的结构示意图；

图6是可翻转夹具的结构示意图；

图7是表面波速度与应力的关系曲线；

图8是V(z)曲线示意图；

图9是超声波法与X射线衍射法测量结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

图3和图4示出了根据本发明的一个实施例的超声表面波声速测量系统。如图3所示是超声表面波声速测量系统的电路图，该超声表面波声速测量系统包括超声测量装置2，该超声测量装置2与一单片机1和一示波器4 相连，所述超声测试装置2向一聚焦换能器3供电，接收该聚焦换能器3的超声探头31的信号，并将所述信号发送给示波器4。此外，超声表面波声速测量系统还包括一个由单片机1控制且与聚焦换能器3连接的步进电机5。

该聚焦换能器3通过步进电机5安装在一用于放置试样8(如图5所示) 的水槽6上，其安装结构如图4所示。聚焦换能器3位于该水槽6上方，步进电机5与固定聚焦换能器3的夹具32之间采用螺纹连接，并在夹具32两侧设置了挡板33。步进电机5通过支架51固定在该水槽6上，通过调节支架51的位置可以实现步进电机5在竖直方向上的升降。当步进电机5步进时，其螺杆52转动，由于挡板33在周向的约束作用，夹具32只能沿竖直方向运动，从而带动聚焦换能器3在竖直方向上的移动。

如图5所示，所述试样8的截面为梯形。水槽6底部设有一如图6所示的夹具7以将试样8固定，用于在测量过程中使试样8保持水平。为了实现以水为耦合剂的条件，水槽6中注有一定量的水，使超声探头61表面充分没入水中，当然这里的水也可用其他液体替换。

优选地，聚焦换能器3的频率为0.5MHz到50MHz的某一固定值。为了能够更加简便、快捷的检测叶片损伤区域的残余应力，本发明利用单片机和 Labview软件编写了步进电机5的控制程序；本发明还可以用PC实现步进电机的控制。本申请中采用能够控制聚焦换能在竖直方向上的精确移动的标准步进电机5，如两相混合式步进电机，本领域技术人员可以理解，也可采用其他型号的步进电机5实现本发明目的。步进电机5的步进精度为0.025mm 到0.05mm，从而精确控制聚焦换能器在竖直方向上的位置。由此，单片机1 控制步进电机5实现聚焦换能器的升降，提高了实验的精确性，节省了操作时间，大大提高了残余应力测量的效率。

所述超声表面波声速测量系统进行测量的基本原理是V(z)曲线理论。如图2所示，聚焦换能器3为常规的压电陶瓷片附加声透镜换能器，其探头31 竖直向下正对冲击试样8，与其间隔一定距离，且通过水9与之耦合。

聚焦换能器3沿竖直向下方向发出由聚焦换能器3发出的超声波中，大部分被试样8反射后因为受到聚焦弧面的影响，超声波传播路径会产生偏折，无法被聚焦换能器接收，如图中的3#射线。需要说明的是聚焦弧面为液体和换能器的交界面，弧面曲率的变化会影响聚焦焦距的变化，但不会对超声传播速度产生影响。

然而有两条超声波射线十分重要。第一条是1#射线，它沿聚焦换能器的轴线传播，经试样表面反射后沿原路径返回。第二条是2#射线，以瑞利角θ_R入射到试样表面，在试样表面激发出速度为v_R的瑞利波，因此瑞利波又在液体-固体材料交界面处的瑞利角方向激发出声波，沿与入射超声波信号对称的路径返回换能器，这两个超声射线在换能器上激发出的压电信号将按照它们的振幅和相位叠加，于是可以观察到它们的干涉现象。

通常将离开聚焦换能器的方向设为z的正方向，将试样表面即聚焦平面设为z＝0的平面，将2#射线的延长线在试样中会聚的散焦位置的深度设为z，干涉波信号的幅值随该散焦位置的深度z的改变呈周期性变化。在聚焦弧面不变的情况下，弧面曲率不变，散焦位置相对于聚焦换能器的位置不变，通过改变聚焦换能器与试样表面之间的距离即可改变散焦位置的深度z进而改变两束波的相位差。由此，结合在聚焦换能器与试样表面之间的不同距离下的干涉波的信号幅值V(z)，得到带有变化周期Δz的V(z)曲线。由于z的变化值与聚焦换能器与试样表面之间的距离变化值，即聚焦换能器的超声探头沿竖直方向的移动距离大小相同，所以该变化周期Δz也是超声探头的移动距离的变化周期。

由于测量时只测量了传播了超声表面波的区域即聚焦换能器正对区域的超声表面波速度，又由于采用自发自收的聚焦式聚焦换能器激发了超声表面波，而所有超声表面波在材料内部的传播距离均小于5mm，因此实现了局部区域残余应力的检测。此外，由于采用液体耦合方式的聚焦换能器激发表面波，所以该方法可以测量曲面结构表面残余应力，从而实现曲面结构残余应力的测量，为复杂结构设备(如航空发动机叶片等)的在役检测提供了可能。

根据该周期Δz可以计算冲击试样被测区域表面波的传播速度，该传播速度的计算公式为：

式中，f是超声波激励频率；Δz是V(z)曲线的变化周期；v_c是超声波在水中的传播速度，v_R是表面波在材料中的传播速度。

由此，根据利用本发明提供的超声表面波声速测量系统测量得到的不同聚焦换能器与试样表面的距离z时的接收到的干涉波的信号幅值，可以得到干涉波的信号幅值的变化周期；再根据周期Δz与表面波速度之间的关系，计算得到被测区域表面波的传播速度。

此外，本发明还提供了一种对曲面金属试样进行表面残余应力的无损检测方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，选择与制作材料的曲面和平面金属试样，并利用冲击试验在其上造成冲击损伤。制作拉伸试样可以利用现有的拉伸试验机，试样规格参考国标GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：温室试验方法》。由于选用Ti-6Al-4V材料制作待测冲击试样，拉伸试样同样选用Ti-6Al-4V材料。此处，拉伸试样厚度为4mm，平行段宽度为20mm，平行段长度为80mm。为保证实验的精确性，本实例中制作5根形状相同的拉伸试样。

步骤S2，采用楔块法，利用楔块激发超声表面波并测量步骤S1中所述拉伸试样的表面波速度-应力关系曲线。首先，应用拉伸试验机对步骤S1中的5个拉伸试样进行单轴应力加载，使试样受拉应力，应力以50MPa的幅值递增直至250MPa。每次将试样拉伸到一个固定应力后，应用楔块法测量在该应力状态下超声表面波的在特定距离内的传播时间，计算出不同应力下超声表面波的速度。接着，将测量得到的不同应力下超声表面波的速度数据拟合成超声表面波速度-应力的关系曲线。

该步骤S2采用楔块法激发表面波进行测量，用于确定在某种特定材料中超声表面波的传播速度与其残余应力的关系曲线。由于试验时被测量的拉伸试样的表面是平整的且其中的残余应力是均一的，所以利用该现有方法的测量结果是可靠的。由于残余应力的存在会导致超声波速度大小发生变化，通过测量超声波速度的变化可以测得残余应力的大小，后续试验中可根据测量得到的超声表面波速度结合超声表面波速度-应力关系曲线得到损伤区域的残余应力。

步骤S3，采用本发明提供的超声表面波声速测量系统测量所述冲击试样表面被测区域表面波的传播速度，具体包括如下步骤：

步骤S31，将所述冲击试样置于上文所述的超声表面波声速测量系统的水槽6中，使其位于超声表面波声速测量系统的聚焦换能器3的探头的正下方且间隔一定距离。随后，打开Labview软件和超声测量系统，通过Labview 软件控制步进电机沿竖直方向移动聚焦换能器，改变冲击试样的表面与聚焦换能器的探头之间的距离，由聚焦换能器向试样表面发射超声表面波，测量冲击试样表面与聚焦换能器的探头相距不同距离时的接收到的干涉波的信号幅值，得到所述超声波信号幅值随超声探头的移动距离的变化周期。其中，该冲击试样与聚焦换能器的间距可以在1mm-200mm的范围内变化。根据测量结果，可以计算得到被测区域表面波的传播速度。

步骤S32，根据所述变化周期计算得到所述冲击试样被测区域表面波的传播速度。该冲击试样被测区域表面波的传播速度可由上文所述的公式(1) 计算。

步骤S4，将由步骤S3测量得到的冲击试样被测区域表面波的传播速度，结合S2中得到的表面波速度-应力关系曲线，获得冲击试样被测区域的残余应力。

测量结果

经过实验测得，超声波纵波在有机玻璃中的传播速度为2720m/s，在 Ti-6Al-4V材料中的传播速度为2996.64m/s，根据Snell定律计算得到激发表面所需的瑞利角为65°。实验测量中发现，在一定传播距离内，多次测量得到的超声表面波传播时间波动较大，经过计算得到每0.028mm的变化会导致接收时间产生10μs的误差。改变激发楔块与接收楔块之间的连接方式，在楔块厚边末端设计了斜槽，避免反射波影响测量结果，改进后的误差时间稳定在0.005μs-0.01μs之间。利用该楔块测量Ti-6Al-4V材料在不同应力条件下的超声表面波在特定距离内的传播时间，拟合得到的超声表面波速度-应力的关系曲线如图7所示，除了转折点外，随着应力的增加，超声表面波速度均匀减小。

本试验测量区域为损伤区域周围的凸缘处。试验中采用焦距为71mm的聚焦换能器。为保证超声测量区与X射线衍射法测量区域相似，聚焦换能器与试样间距设定为55mm，此时根据计算得到理论被测区域约为4.5mm，即图2中AB之间的距离。步骤S31测量得到的聚焦换能器的超声探头接收移动不同距离时超声波的信号幅值可由如图8所示的V(z)曲线表示，根据该曲线的周期可以计算冲击试样被测区域表面波的传播速度。

随后测量如图5所示的冲击试样其上各点的残余应力，冲击试样损伤区域残余应力的超声测量结果如下表1所示：

表1试样损伤区域残余应力的测量结果

表1试样损伤区域残余应力

然后，将冲击试样损伤区域残余应力的超声测量结果和X射线衍射法测量结果的结果进行比较，如图9所示，冲击试样损伤区域残余应力的超声测量结果和X射线衍射法测量结果的趋势基本一致，且结果表明，两种方法的差值小于Ti-6Al-4V材料屈服极限的0.1倍。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。例如，本发明的超声表面波声速测量系统的步进电机可用手动精密滑台或传动轴承代替。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims

1.一种超声表面波声速测量系统，包括一超声测试装置，该测试装置分别与一个控制装置和一示波器相连，其特征在于，所述超声测试装置向一探头竖直向下的聚焦换能器供电，接收该聚焦换能器的超声探头的信号，并将所述信号发送给示波器，所述聚焦换能器下方还设有一试样槽，所述试样槽装有液体，所述聚焦换能器的超声探头浸没在所述液体中，一驱动机构固定在所述试样槽上，且与一聚焦换能器相连。

2.根据权利要求1所述的超声表面波声速测量系统，其特征在于，所述驱动机构由控制装置控制。

3.根据权利要求2所述的超声表面波声速测量系统，其特征在于，所述控制装置为单片机或PC，所述驱动机构为步进电机、手动精密滑台或传动轴承。

4.根据权利要求2所述的超声表面波声速测量系统，其特征在于，所述驱动机构的步进精度为0.025mm到0.05mm；聚焦换能器的频率为0.5MHz到50MHz。

5.根据权利要求1所述的超声表面波声速测量系统，其特征在于，所述驱动机构通过支架固定在所述试样槽上，且通过夹具和紧固件与一聚焦换能器相连。

6.一种试样表面残余应力的无损检测方法，包括：

步骤S1，选择材料制作冲击试样和与所述冲击试样同一母材的多个拉伸试样；

步骤S2，采用楔块法激发表面波测量所述拉伸试样的表面波速度-应力关系曲线；

步骤S3，用权利要求1所述的超声表面波声速测量系统测量所述冲击试样表面被测区域表面波的传播速度；

步骤S4，根据所述冲击试样被测区域表面波的传播速度对照所述表面波速度-应力关系曲线，得到所述冲击试样被测区域的残余应力。

7.根据权利要求6所述的试样表面残余应力的无损检测方法，其特征在于，S31中，所述冲击试样被表面水平地放置在所述试样槽中。

8.根据权利要求6所述的试样表面残余应力的无损检测方法，其特征在于，步骤S3包括：

步骤S31，将所述冲击试样置于权利要求1所述试样槽中，所述驱动机构沿竖直方向移动聚焦换能器，聚焦换能器的超声探头接收移动不同距离时超声波的信号幅值，得到所述超声波信号幅值随超声探头的移动距离的变化周期；

步骤S32，根据所述变化周期计算得到所述冲击试样被测区域表面波的传播速度。

9.根据权利要求6至8之一所述的试样表面残余应力的无损检测方法，其特征在于，所述冲击试样被测区域表面波的传播速度可以通过下式计算：

<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi> <mi>&Delta;</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

10.根据权利要求8所述的试样表面残余应力的无损检测方法，其特征在于，S31中，所述冲击试样与聚焦换能器的间距为1mm-200mm，优选采用55mm。