超声波技术检测残余应力：基础理论与应用

各工业国都很重视残余应力的研究。欧洲最重要的残余应力会议——The European Conference on Residual Stress（ECRS）已举行了六届，欧洲各国的残余应力工作者每次均踊跃参加。跨国的研究也不少，例如：英国发生多起火车事故后，UMIST、Salford和Manchester等大学在有关当局的资助下，已合作研究残余应力对钢轨疲劳强度的影响，其部分实验是与法国的一些科研机构共同进行的。在亚洲，日本有不少关于残余应力的研究开展得不错；从我国已发表的文献数量以及科技人员参与国际会议的情况来看，对残余应力的研究仍偏少，但重视程度已日益增加。现有的超声波检测应力技术主要包括以下六种［49］：

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［5052］。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，是极具潜力的应力测量技术之一。

2）电磁超声检测技术

常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂才能实现与被测部件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的测量环境。

电磁超声换能器（EMAT）是一种在金属表面不需要任何机械（液体）耦合就能产生纵波、横波、瑞利波、Lamb波和表面波的超声换能器。由于不需要任何液体耦合，EMAT可以在高温和高速扫描情况下工作。EMAT的特性很容易在另一个换能器上重复实现，所以可以用于制作标准换能器。另外，它可以很容易产生一般压电换能器很难激发的SH波（即质点振动发生在与波的传播面相平行的面内的波），并且横波和纵波的角度可以通过控制频率来实现。EMAT的缺点是插入损失比普通的压电换能器大得多，所以在激发和接收时必须调整阻抗。因为产生超声波是一个电流控制的操作，所以不同的EMAT需要不同的驱动电路，而且也不能用于非金属材料的测量［53］。

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应力的方法。其原理是：根据被测物体在弾性应力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［54］。

4）声双折射检测技术(www.xing528.com)

声双折射检测技术的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［55-56］。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，因此这种波称为瑞利波（Rayleigh wave），它是指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［5758］。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二维应力的关系：

式中，v0为材料在无应力状态时瑞利波的速度；R1、R2为主应力；v1、v2分别为瑞利波沿主方向1、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实验测量得到。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

相比其他几种超声波，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更深。