殘余應力超聲檢測的基本原理

發(fā)表時間 : 2017/10/13 10:37:55

前期我們對殘余應力超聲檢測的基本概念及其工程應用做了一定了解，本篇主要介紹殘余應力超聲檢測的基本原理。

理論研究說明：彈性波在有應力固體材料中的傳播速度不僅與材料的二階彈性常數(shù)和密度有關，同時還與材料的高階彈性常數(shù)和應力有關。這種現(xiàn)象稱為聲彈性效應。聲彈性理論是研究超聲無損檢測殘余應力的重要理論依據(jù)之一。

一、聲彈性理論

聲彈性理論主要是研究彈性波在固體材料中的傳播速度與應力之間的關系，其基本假設為：

(1)連續(xù)體假設，因為在常用的超聲波頻率范圍內（20kHz~20MHz），彈性波波長遠大于材料的晶粒尺寸及微小缺陷的尺寸；

(2)聲波的小擾動疊加在物體的靜態(tài)有限變形上；

(3)物體是超彈性的、均勻的；

(4)物體在變形過程中可視為等溫或等熵過程。

在存在初始應力的各項同性固體材料中，彈性波的速度取決于固體材料的密度和二階、三階彈性常數(shù)以及固體材料中初始應力狀態(tài)。

圖1有應力狀態(tài)下聲速V與應力σ坐標示意圖

當各向同性固體材料受到一個應力方向作用時，彈性波（縱波和剪切波）在材料中傳播的聲速和應力大小是存在一定的關系的。

二、臨界折射縱波法殘余應力檢測理論

當固體材料中的應力為零應力狀態(tài)時，超聲縱波在材料中的傳播聲速為：

2.1.jpg （2.1）

其中，為固體材料為零應力時，縱波的聲速。

材料在應力作用下，當超聲波在各向同性介質中傳播時，會表現(xiàn)出聲彈性效應，即應力的大小不同，超聲波在其中的傳播速度不同。

沿著應力方向傳播縱波聲速與應力之間的關系表現(xiàn)為超聲縱波在固體材料中應力的變化量與聲速的變化量成線性關系，即當應力變大時（拉應力為正，壓應力為負，當應力從拉應力變?yōu)閴簯r，此時認為應力變?。?，縱波聲速會變小，當應力變小時，縱波聲速變大。

聲彈性效應很微弱，超聲波傳播速度受應力變化的影響非常小，實驗研究表明，300MPa引起的聲速變化約為0.3%，聲速的準確測量對檢測設備的精度和靈敏度都有較高的要求，傳統(tǒng)的檢測方法及設備難以滿足要求。

在傳播距離固定時，超聲波傳播速度與傳播時間滿足特定關系，聲傳播時間的測量和計算相對簡單，在現(xiàn)有的實驗條件和設備條件下可以實現(xiàn)對聲時的精確測量，故可通過測量和計算聲時的變化量來反映聲速改變量，從而計算出應力的變化量，這就是聲時法的應力檢測原理。

在超聲波傳播距離固定為s時，聲速與傳播時間之間的關系可以表示為：

2.2.jpg （2.2）

對于固定的傳播距離，可以近似認為t=t₀， t₀為零應力狀態(tài)下，縱波在傳播距離固定為s時所需要的傳播時間，對于同一種材料，t₀為恒定值，則聲時變化量與應力的變化量成線性關系，只要精確檢測出聲波傳播的時間就可以準確檢測材料中的殘余應力。

2.1 臨界折射縱波產(chǎn)生

由于不同介質的聲阻抗不同，當一束聲波從一種介質斜入射到另一種介質中時，在兩種介質的交界面處會發(fā)生聲波反射和折射現(xiàn)象。圖2所示為超聲波反射與折射現(xiàn)象示意圖，其中，在界面處發(fā)生折射的部分在界面處發(fā)生波形的轉換，在另一種介質中折射產(chǎn)生折射橫波和折射縱波。折射波的折射角大小不僅與入射聲波的入射角大小有關，還與超聲縱波和橫波在兩種介質（介質1和介質2）中的傳播速度有關，它們之間滿足Snell定律，入射角和折射角關系如式（2.3）所示，其中，θ_I表示超聲縱波的入射角度，V_I表示超聲縱波在介質1中的傳播速度，θ_L表示折射縱波的折射角度，V_L表示折射產(chǎn)生的縱波在介質2中的傳播速度，θ_S表示折射橫波的折射角度，V_S表示折射產(chǎn)生的橫波在介質2中的傳播速度。

2.3.jpg (2.3)

從（2.3）式可知，折射角θ_L和θ_S隨著入射角θ_I的增大而增大。當介質1中的超聲縱波聲速小于介質2中的縱波聲速時，令θ_L=90°即折射產(chǎn)生的縱波角度為90°時可求出一個入射角，此時的入射角定義為第一臨界角，折射產(chǎn)生的縱波即為超聲臨界折射縱波（Critically Refracted Longitudinal wave），簡稱L_CR波。