超声波法检测残余应力的研究现状

现有的超声波检测应力技术主要包括以下六种。

1.激光超声检测技术

用强度调制的激光束射入闭合的介质空间时可产生声波，通过对这种波的检测来达到对材料性能的无损评价、对复合材料构件进行评估等的应用技术称为激光超声检测技术^[28]。利用激光脉冲来激发超声脉冲，不仅是非接触的，而且可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间上都具有极高的分辨率。此外，还可以在不同形状的试样中激发超声，可以在高温、高压、有毒、放射性等各种恶劣环境下进行超声检测。近年来，激光超声检测技术在应力测量方面得到了很大的发展，是一种极具潜力的应力测量技术之一。

2.电磁超声检测技术

利用压电晶体作为换能器进行超声无损检测时，在探头和被测试样之间必须要有油、水等介质作为耦合剂，这给超声检测带来诸多不便。电磁超声检测技术因不需要声耦合介质，故特别适合于高温、高速及粗糙表面等条件下的无损检测。

3.反射纵波检测技术

反射纵波是在测量试件内部传播的纵波，是一种很好的测量试件内部体应力的方法。其原理是：根据被测物体在弹性应力作用下表现出的弹性各向异性，可求出反射纵波速度与表面测量试件内部体应力的关系^[29]。

4.声双折射检测技术(www.xing528.com)

其原理是施加在材料上的内应力会引起材料的声学各向异性。平行和垂直于应力方向偏振的横波在材料内沿垂直于周向应力的方向传播，两波的速度差与应力值及由材料性能引起的各向异性成比例^[29]。如果材料的各向异性已知，则可计算出其应力值。

5.表面波检测技术

表面波的存在首先由Lord Rayleigh在1885年发现的，因此这种波被称为瑞利波（Rayleigh wave），它只在厚度远大于其波长的物体表面层上传播。利用表面波测量物体表面的工作应力和残余应力，是通过测量声表面波在被检测试样中的传播速度变化来确定应力值的^[30]。但其仅适用于评价试件表面和次表面的材料特性。

从声弹性理论出发，Hirao等给出了表面波速度的相对变化与材料表面的二维应力的关系：

式中，ν₀为材料在无应力状态时瑞利波的速度；σ₁、σ₂为主应力；ν₁、ν₂分别为瑞利波沿主方向1和主方向2的传播速度；k₁、k₂分别为相应方向的声弹性系数，由该材料的一阶和二阶弹性系数决定，可以通过单向加载应力下的两个方向声速标定试验测量得到。因此，在已知材料声弹性系数的基础上，只要测量出具有残余应力材料中的表面波声速变化分布，就可以检测出表面残余应力的分布。

6.临界折射纵波检测技术

相对其他几种超声波，纵波具有传播速度快、衰减小且对应力敏感的优点。临界折射纵波是一种沿物体表面传播的特殊纵波，具有应力检测灵敏度高的特点。因此，临界折射纵波是测量材料应力最有效的波型之一。它在试件表层一定深度内传播，兼有表面波和体波的特性，在一些特殊应用方面具有比传统的表面波和体波更优异的性能。当利用临界折射纵波测试有限厚度的试样时，临界折射纵波的穿透深度是超声波频率的函数，低频波比高频波渗透得深。