殘余應(yīng)力的超聲檢測方法

徐春廣，宋文濤，潘勤學(xué)，李 驍，靳 鑫，劉海洋

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

殘余應(yīng)力是材料內(nèi)部不均勻塑性變形引起的自身保持平衡的彈性應(yīng)力。根據(jù)德國學(xué)者M(jìn)acherauch（馬赫勞赫）博士于1973年提出的內(nèi)應(yīng)力模型［1］，可將殘余應(yīng)力分為三類。第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是材料中晶粒之間的平均應(yīng)力，作用范圍是毫米級；第Ⅱ類內(nèi)應(yīng)力作用在單個晶粒內(nèi)，各晶粒之間因彈性和塑性各向異性而不同；第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力存在于晶粒中，其本質(zhì)上是由晶粒內(nèi)存在的位錯和其它缺陷造成的。第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力稱為宏觀殘余應(yīng)力，第Ⅱ類和第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力統(tǒng)稱為微觀應(yīng)力。通常檢測到的是宏觀殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要源于不均勻的彈塑性變形、不均勻的溫度變化以及不均勻的相變。在很多情況下，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是以上三種因素綜合作用的結(jié)果［2］。加工制造過程中，殘余應(yīng)力不可避免，其影響有利有弊，一方面希望消除殘余拉應(yīng)力，另一方面希望預(yù)置殘余壓應(yīng)力。如對于大型拼焊構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致構(gòu)件變形或開裂，造成早期失效；而對于軋輥、齒輪、軸承、彈簧、曲軸、身管之類的零部件，主要考慮如何通過施加殘余壓應(yīng)力來提高零件的疲勞強(qiáng)度［3］。

為了有效地控制和利用殘余應(yīng)力，需要準(zhǔn)確地檢測出殘余應(yīng)力值，并對其狀態(tài)進(jìn)行合理的評估。目前殘余應(yīng)力檢測的方法有很多，如X射線法、盲孔法、巴克豪森法等。2012年，意大利Rossini教授對比分析各種檢測方法后認(rèn)為，超聲波法是殘余應(yīng)力的無損檢測發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一［3］。超聲波應(yīng)力檢測是基于超聲波波速與材料應(yīng)力間的線性關(guān)系，這個關(guān)系即為在材料彈性極限內(nèi)表現(xiàn)出的聲彈性效應(yīng)，該效應(yīng)表明了聲時與應(yīng)力的線性相關(guān)。筆者首先介紹了殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波法的基本原理；然后搭建了超聲應(yīng)力檢測與校準(zhǔn)系統(tǒng)，分別利用超聲臨界折射縱波法和X射線衍射法對Q235鋼、45號鋼、鋁合金等試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，并對比研究不同方法檢測的結(jié)果；最后，利用建立的超聲應(yīng)力檢測與校準(zhǔn)系統(tǒng)，應(yīng)用到對焊縫、平板類零件、軸類零件、管類內(nèi)壁、螺栓、涂覆層下、玻璃及陶瓷等的殘余應(yīng)力分布檢測中。

1 超聲檢測基本理論

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，沿應(yīng)力方向傳播臨界折射縱波

（LCR）波速與應(yīng)力之間的關(guān)系如下［5－7］：

式中：v為有應(yīng)力情況下LCR波的傳播速度；ρ0為被測材料的密度；λ和μ為材料的二階彈性常數(shù)；l和μ為三階彈性常數(shù)；σ為應(yīng)力值，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

對式（1）兩邊分別求導(dǎo)得出聲速的變化量與應(yīng)力的變化量之間的關(guān)系：

式中：dσ為應(yīng)力的改變量；dv為LCR波傳播速度的改變量；v0為零應(yīng)力條件下縱波的傳播速度；K為聲彈性常數(shù)。

由式（2）可得，在固定傳播距離內(nèi)，應(yīng)力與聲速的關(guān)系可以簡化為：

式中：K0＝；K0為應(yīng)力常數(shù)；t0為零應(yīng)力條件下LCR波傳播固定距離所需要的時間。

由式（3）可知，通過精確測量LCR波傳播的聲時或聲時差，就可以計算得到對應(yīng)的應(yīng)力值。

2 超聲應(yīng)力檢測與校準(zhǔn)系統(tǒng)

基于Snell定律，采用一發(fā)一收模式，利用第一臨界角加工出有機(jī)玻璃透聲楔，激勵出的超聲臨界折射縱波可檢測工件表面以下一定深度的殘余應(yīng)力值，滲透深度是其頻率的函數(shù)，如圖1所示。通常情況下頻率太低，在較薄構(gòu)件中容易激發(fā)出導(dǎo)波［8］，同時對應(yīng)力敏感度降低；頻率太高，滲透深度太淺，表面粗糙度對測試結(jié)果影響增大，同時波形衰減很嚴(yán)重。

圖1 LCR波的激勵與被測殘余應(yīng)力區(qū)域

在殘余應(yīng)力檢測過程中，環(huán)境溫度造成的檢測誤差不可忽視，尤其是在戶外長期作業(yè)時。研究表明，對于普通鋼材，1℃的溫度變化平均可以引起75MPa左右的應(yīng)力變化［9］。因此，必須在檢測系統(tǒng)中引入溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)通過理論分析和溫度時差試驗，得到溫度與聲時的關(guān)系表達(dá)式，然后編入系統(tǒng)軟件，由系統(tǒng)軟件根據(jù)采集的溫度數(shù)值自動消除溫度造成的誤差。

為了確保檢測值準(zhǔn)確（精度始終維持在其誤差范圍之內(nèi)），需要定期對殘余應(yīng)力超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。圖2是利用微機(jī)控制拉伸機(jī)進(jìn)行絕對校準(zhǔn)的流程圖，圖3是對685鋼拉伸試樣進(jìn)行校準(zhǔn)時的聲時－應(yīng)力曲線圖，從圖中看出，校準(zhǔn)后的曲線更接近實際加載應(yīng)力曲線，滿足檢測精度在－20～20MPa范圍之內(nèi)。

圖2 系統(tǒng)絕對校準(zhǔn)流程圖

系統(tǒng)適用材料范圍為金屬、玻璃、陶瓷等，適用工件類別為平板、軸類、盤類、管道、螺栓、涂覆層下等；檢測范圍（σs為被測材料屈服強(qiáng)度）為－σs～σsMPa；檢測誤差為－20～20MPa；溫度范圍為0～30℃；檢測深度為0.5～150mm；每個檢測點的時間為0.5～2min。

圖3 系統(tǒng)絕對校準(zhǔn)的聲時－應(yīng)力曲線

3 殘余應(yīng)力檢測對比試驗

X射線檢測設(shè)備采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的MSF－3M射線應(yīng)力分析儀。其主要參數(shù)分別是：管電壓為30kV（固定）；管電流為0.5～10mA（連續(xù)可調(diào)）；X射線類型為Ka；靶材為Cr；有效聚焦為4mm×4mm；2θ測角范圍為140°～170°；ψ測角范圍為0°～45°。

試驗前，確保X射線應(yīng)力分析儀的檢測精度，利用X射線應(yīng)力分析儀對零應(yīng)力鐵粉進(jìn)行檢測，結(jié)果在－2.74～1.5MPa范圍內(nèi)，滿足精度要求。

3.1 Q235鋼

選用Q235鋼，試樣表面粗糙度Ra不大于3.2μm。試樣共12塊，分為A、B兩組，每組6塊，按順序編號。

對A、B兩組試樣分別采用超聲和X射線應(yīng)力進(jìn)行檢測，超聲檢測前需要進(jìn)行零應(yīng)力標(biāo)定，取每組的編號1試樣作為零應(yīng)力標(biāo)定，每個試樣都重復(fù)檢測直至穩(wěn)定。由于殘余應(yīng)力在不同方向上具有一定的差異，所以在用X射線法檢測殘余應(yīng)力時，應(yīng)保證其檢測方向與超聲檢測方向相同。使用的超聲應(yīng)力傳感器兩個換能器的間距為50mm，在超聲檢測區(qū)域選取3個等分區(qū)域，每次利用X射線檢測其中一個區(qū)域，每個試樣都檢測3次，如圖4所示。

圖4 Q235鋼超聲與X射線檢測區(qū)域示意圖

3.2 685鋼定值試塊

采用噴丸工藝制作殘余壓應(yīng)力定值試塊，試塊材料為685鋼，表面粗糙度Ra不大于3.2μm。噴丸前對試塊進(jìn)行退火處理（加熱到450℃保溫2h，然后再隨爐冷卻），以消除初始應(yīng)力。熱處理后，對工件表面氧化膜進(jìn)行清理，然后對試塊采用單個噴嘴進(jìn)行噴丸處理。將試塊放入保溫箱（溫度在18～22℃），以防止長時間晝夜溫差大造成試塊應(yīng)力自然釋放。

對6mm厚和20mm厚定值試塊的殘余應(yīng)力分別采用超聲法與X射線法進(jìn)行長期監(jiān)測。超聲法零應(yīng)力標(biāo)定采用不同厚度分開標(biāo)定，即利用6mm厚經(jīng)退火處理而未噴丸的試塊標(biāo)定6mm厚定值試塊零應(yīng)力，20mm厚經(jīng)退火處理而未噴丸的試塊標(biāo)定20mm厚定值試塊零應(yīng)力。定值試塊的監(jiān)測區(qū)域如圖5所示。

圖5 685鋼噴丸定值試塊殘余應(yīng)力長期監(jiān)測區(qū)域

3.3 45鋼C形環(huán)

加工一45號鋼C形環(huán)，試樣表面粗糙度Ra不大于3.2μm。通過旋動螺母，調(diào)節(jié)C形環(huán)的徑向壓縮量，從而實現(xiàn)應(yīng)力加載。分別采用超聲法和X射線法檢測加載的應(yīng)力，超聲法零應(yīng)力標(biāo)定在徑向壓縮量為0mm時，檢測的現(xiàn)場和檢測區(qū)域如圖6所示。

圖6 45號鋼C形環(huán)應(yīng)力檢測區(qū)域示意圖

3.4 鋁合金

對LY12鋁合金：試樣分別采用超聲與X射線進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。試樣表面經(jīng)過精磨加工，圖7為鋁合金試樣的檢測區(qū)域示意圖，其中超聲檢測區(qū)域為5個長方形區(qū)域，從左到右依次編號；X射線檢測區(qū)域為15個方形區(qū)域，即每個超聲檢測區(qū)域?qū)?yīng)3個X射線區(qū)域。超聲檢測的零應(yīng)力標(biāo)定等方法與3.1中Q235鋼的試驗方法相同。

圖7 鋁合金超聲與X射線檢測區(qū)域示意圖

4 試驗結(jié)果

4.1 Q235鋼

將A、B兩組的檢測均值繪制成對比折線圖如圖8，9。

本研究發(fā)現(xiàn)，石河子大學(xué)本科生學(xué)習(xí)動機(jī)居中等程度。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，總平均分小于臨界的比例相當(dāng)大，共96人，即有52.17%的大學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)水平不高；總平均分高于4分的（學(xué)習(xí)動機(jī)較強(qiáng)）僅4人，占總?cè)藬?shù)的2.17%。從總體上看，本研究證實了當(dāng)今大學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)偏低，只有在能力追求維度上得分接近4分，其余均不到3分。因此，需要在教育教學(xué)中重視石河子大學(xué)本科生的學(xué)習(xí)動機(jī)。

圖8 Q235鋼A組試樣超聲與射線檢測結(jié)果對比

圖9 Q235鋼B組試樣超聲與射線檢測結(jié)果對比

4.2 685鋼定值試塊

對6mm厚685鋼定值試塊的殘余應(yīng)力長期監(jiān)測結(jié)果如圖10；對20mm厚定值試塊的殘余應(yīng)力長期監(jiān)測結(jié)果如圖11。

圖10 6mm厚定值試塊超聲與射線監(jiān)測結(jié)果對比

圖11 20mm厚定值試塊超聲與射線監(jiān)測結(jié)果對比

4.3 45鋼C形環(huán)

將C形環(huán)應(yīng)力加載試驗的兩種方法檢測值繪制成對比折線圖如圖12。

圖12 C形環(huán)兩次應(yīng)力加載的超聲與射線檢測結(jié)果對比

4.4 鋁合金

將鋁合金試驗檢測均值繪制成對比折線圖如圖13所示。

圖13 鋁合金超聲與射線檢測結(jié)果對比

5 討論

綜合對Q235鋼、685鋼、45號鋼、鋁合金等材料的超聲與X射線檢測結(jié)果可以看出，超聲法殘余應(yīng)力檢測值和X射線法應(yīng)力檢測值并不相同，這是因為超聲法檢測的面積和深度與X射線法不同，但是應(yīng)力趨勢基本相同，尤其是從4.3中對C形環(huán)應(yīng)力加載后的應(yīng)力折線圖可以看出。

由此可見，超聲法與X射線法都可以反應(yīng)構(gòu)件殘余應(yīng)力狀態(tài)和趨勢，其理論上應(yīng)該有一定的對應(yīng)關(guān)系，但是目前缺乏確切的理論依據(jù)。

X射線法的理論與應(yīng)用都較為完善，各國都有其檢測標(biāo)準(zhǔn)。超聲波法是近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù)，因此暫無可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，北京理工大學(xué)檢測與控制研究所擬定了《無損檢測——殘余應(yīng)力的超聲臨界折射縱波無損檢測方法》的國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已于2013年11月通過國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會的初步審定。該團(tuán)隊通過對標(biāo)準(zhǔn)總則的進(jìn)一步完善以及制定殘余應(yīng)力超聲檢測的校準(zhǔn)和試塊標(biāo)準(zhǔn)，最終形成一整套的超聲殘余應(yīng)力檢測標(biāo)準(zhǔn)體系。

6 工程應(yīng)用

6.1 管焊縫殘余應(yīng)力分布

在我國“西氣東輸”工程中，為提高輸氣速度與輸氣量，須提高輸送壓力。然而由于管道焊縫殘余應(yīng)力的影響，壓力提高后，焊縫附近很容易因殘余拉應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致爆管事故。

利用殘余應(yīng)力超聲檢測與校準(zhǔn)系統(tǒng)，對新疆克拉瑪依“西氣東輸”管道焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場檢測，評估其危險區(qū)域，如圖14所示，該管道材料為X70鋼，焊接工藝為手工電弧焊。為了說明評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，將危險段切下進(jìn)行打壓爆管試驗，結(jié)果如圖15所示，爆破處與評估得出的危險區(qū)域基本相符。

圖14 管道焊縫殘余應(yīng)力檢測現(xiàn)場圖

圖15 管道爆管試驗驗證

6.2 平板焊縫殘余應(yīng)力分布

焊接殘余應(yīng)力的分布不均，會導(dǎo)致車輛在服役過程中重要部位會發(fā)生彎曲變形，甚至產(chǎn)生裂紋，最終開裂。利用該裝置先后對內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)和北方重工集團(tuán)的車輛焊縫及母材的殘余應(yīng)力進(jìn)行了超聲無損檢測適應(yīng)性研究，如圖16所示。該材料為685鋼，焊接工藝為氬弧焊。

圖16 焊接殘余應(yīng)力檢測

圖17 焊縫兩側(cè)焊接殘余應(yīng)力分布

6.3 軸類零件殘余應(yīng)力分布

車輛扭力軸為承力部件，容易失效。如果在加工制造過程中，扭力軸產(chǎn)生較大殘余拉應(yīng)力，則會加快扭力軸的疲勞斷裂。因此，需要在使用前對扭力軸的殘余應(yīng)力進(jìn)行評估。試驗針對某一型號的扭力軸，沿著扭力軸0°，90°，180°和270°四條母線方向，每移動50mm進(jìn)行一次超聲殘余應(yīng)力檢測，將數(shù)據(jù)繪制成應(yīng)力云圖如圖18所示。從圖中可看出，扭力軸整體應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力，局部地區(qū)有50MPa左右的拉應(yīng)力。

6.4 管類內(nèi)壁殘余應(yīng)力分布

通常身管內(nèi)壁要人為產(chǎn)生自緊應(yīng)力層，但是，往往由于自緊應(yīng)力層應(yīng)力分布不均會引起彎曲變形。無損地檢測出身管自緊應(yīng)力分布狀況并及時采取修正措施，可以提高管類構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和使用壽命。圖19為試驗研究結(jié)果，這是國際上首次檢測到身管內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，與實際結(jié)果吻合。

圖18 扭力軸殘余應(yīng)力的分布云圖

圖19 身管自緊應(yīng)力分布云圖

6.5 螺栓軸向應(yīng)力分布

利用超聲波橫縱波探頭，對3種不同材料（奧氏體不銹鋼、低碳鋼、碳鋼）的螺栓進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測，如圖20（a）所示，應(yīng)力加載試驗在拉伸機(jī)上進(jìn)行。試驗前，將螺帽處銑削平整，保證橫縱波探頭與螺栓良好接觸，達(dá)到理想耦合效果。圖20（b）為奧氏體不銹鋼螺栓的加載應(yīng)力與超聲波檢測對比圖，試驗結(jié)果表明，檢測平均誤差在10%以內(nèi)。

6.6 涂覆層下殘余應(yīng)力分布

對于含有較薄防腐層的構(gòu)件，超聲波可以滲透防腐層，對構(gòu)件涂覆層下的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測。圖21是對涂有漆膜的鋁合金試件進(jìn)行殘余應(yīng)力超聲檢測的現(xiàn)場。試驗表明，利用超聲波法，鋁板涂覆層下的表面應(yīng)力分布可以較好的檢測出來，但是對于漆膜內(nèi)部以及漆膜與鋁板之間的粘接層應(yīng)力大小還無法檢測。

6.7 玻璃與陶瓷殘余應(yīng)力分布

很早人們就發(fā)現(xiàn)玻璃、液晶平板等材料中的應(yīng)力分布通常是不均勻的，嚴(yán)重時會降低玻璃制品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，影響制品的安全使用，甚至?xí)l(fā)生自裂現(xiàn)象。然而，考慮到檢測的效率和準(zhǔn)確性，玻璃的應(yīng)力檢測一直沒有較好的手段。

圖20 螺栓軸向應(yīng)力測量

圖21 涂有漆膜的鋁合金試件殘余應(yīng)力檢測

對6mm×120mm×120mm的平板玻璃采用超聲殘余應(yīng)力檢測。檢測前，對玻璃中部區(qū)域進(jìn)行加熱處理（100～150℃），然后風(fēng)冷到室溫，從而人為預(yù)置一定殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力檢測結(jié)果如圖22所示，從圖中看出，通過加熱處理后，平板玻璃產(chǎn)生最大16MPa的殘余應(yīng)力。

圖22 玻璃表面殘余應(yīng)力分布云圖

7 結(jié)論

（1）采用斜入射一發(fā)一收模式，激勵出的超聲臨界折射縱波（LCR波）可檢測工件表面以下一定深度（與換能器的頻率有關(guān)）的殘余應(yīng)力值，實現(xiàn)對殘余應(yīng)力的快速無損檢測。

（2）對比超聲法與X射線法的試驗結(jié)果表明，兩種方法的檢測值并不相同，這是因為超聲法檢測的面積和深度與X射線法不同，但是應(yīng)力趨勢基本相同。超聲法與X射線法都可以在一定程度上反應(yīng)構(gòu)件殘余應(yīng)力狀態(tài)和趨勢，其理論上應(yīng)該有一定的對應(yīng)關(guān)系。

（3）對比超聲法與X射線法的優(yōu)缺點可以看出，超聲法具有普遍使用、非?？焖?、低成本、較佳的分辨率和滲透力、手持式、無輻射污染等諸多優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展空間。但是目前還沒有相關(guān)的國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了技術(shù)的推廣。目前，研究團(tuán)隊已經(jīng)擬定了《無損檢測——殘余應(yīng)力的超聲臨界折射縱波無損檢測方法》的國家標(biāo)準(zhǔn)，并已于2013年11月通過國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會的初步審定。

（4）通過將超聲應(yīng)力檢測與校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用到焊縫、平板類零件、軸類零件、管類內(nèi)壁、螺栓、涂覆層下、玻璃及陶瓷等的殘余應(yīng)力分布檢測中，說明了殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法的準(zhǔn)確性、實用性以及應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性。

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