徐春廣，宋文濤，潘勤學，李 驍，靳 鑫，劉海洋

（北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

殘余應力是材料內(nèi)部不均勻塑性變形引起的自身保持平衡的彈性應力。根據(jù)德國學者Macherauch（馬赫勞赫）博士于1973年提出的內(nèi)應力模型［1］，可將殘余應力分為三類。第Ⅰ類內(nèi)應力是材料中晶粒之間的平均應力，作用范圍是毫米級；第Ⅱ類內(nèi)應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)應力稱為宏觀殘余應力，第Ⅱ類和第Ⅲ類內(nèi)應力統(tǒng)稱為微觀應力。通常檢測到的是宏觀殘余應力。

殘余應力的產(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，殘余應力的產(chǎn)生是以上三種因素綜合作用的結果［2］。加工制造過程中，殘余應力不可避免，其影響有利有弊，一方面希望消除殘余拉應力，另一方面希望預置殘余壓應力。如對于大型拼焊構件，焊接殘余應力可能導致構件變形或開裂，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力來提高零件的疲勞強度［3］。

為了有效地控制和利用殘余應力，需要準確地檢測出殘余應力值，并對其狀態(tài)進行合理的評估。目前殘余應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為，超聲波法是殘余應力的無損檢測發(fā)展方向上最有前途的技術之一［3］。超聲波應力檢測是基于超聲波波速與材料應力間的線性關系，這個關系即為在材料彈性極限內(nèi)表現(xiàn)出的聲彈性效應，該效應表明了聲時與應力的線性相關。筆者首先介紹了殘余應力超聲臨界折射縱波法的基本原理；然后搭建了超聲應力檢測與校準系統(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、鋁合金等試樣進行殘余應力檢測，并對比研究不同方法檢測的結果；最后，利用建立的超聲應力檢測與校準系統(tǒng)，應用到對焊縫、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)，沿應力方向傳播臨界折射縱波

（LCR）波速與應力之間的關系如下［5－7］：

式中：v為有應力情況下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為應力值，正值表示拉應力，負值表示壓應力。

對式（1）兩邊分別求導得出聲速的變化量與應力的變化量之間的關系：

式中：dσ為應力的改變量；dv為LCR波傳播速度的改變量；v0為零應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)，應力與聲速的關系可以簡化為：

式中：K0＝；K0為應力常數(shù)；t0為零應力條件下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的應力值。

2 超聲應力檢測與校準系統(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，在較薄構件中容易激發(fā)出導波［8］，同時對應力敏感度降低；頻率太高，滲透深度太淺，表面粗糙度對測試結果影響增大，同時波形衰減很嚴重。

圖1 LCR波的激勵與被測殘余應力區(qū)域

在殘余應力檢測過程中，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左右的應力變化［9］。因此，必須在檢測系統(tǒng)中引入溫度補償。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系表達式，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。

為了確保檢測值準確（精度始終維持在其誤差范圍之內(nèi)），需要定期對殘余應力超聲檢測系統(tǒng)進行校準。圖2是利用微機控制拉伸機進行絕對校準的流程圖，圖3是對685鋼拉伸試樣進行校準時的聲時－應力曲線圖，從圖中看出，校準后的曲線更接近實際加載應力曲線，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)絕對校準的聲時－應力曲線

3 殘余應力檢測對比試驗

X射線檢測設備采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的MSF－3M射線應力分析儀。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射線應力分析儀的檢測精度，利用X射線應力分析儀對零應力鐵粉進行檢測，結果在－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射線應力進行檢測，超聲檢測前需要進行零應力標定，取每組的編號1試樣作為零應力標定，每個試樣都重復檢測直至穩(wěn)定。由于殘余應力在不同方向上具有一定的差異，所以在用X射線法檢測殘余應力時，應保證其檢測方向與超聲檢測方向相同。使用的超聲應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），以消除初始應力。熱處理后，對工件表面氧化膜進行清理，然后對試塊采用單個噴嘴進行噴丸處理。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力自然釋放。

對6mm厚和20mm厚定值試塊的殘余應力分別采用超聲法與X射線法進行長期監(jiān)測。超聲法零應力標定采用不同厚度分開標定，即利用6mm厚經(jīng)退火處理而未噴丸的試塊標定6mm厚定值試塊零應力，20mm厚經(jīng)退火處理而未噴丸的試塊標定20mm厚定值試塊零應力。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)應力加載。分別采用超聲法和X射線法檢測加載的應力，超聲法零應力標定在徑向壓縮量為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射線進行殘余應力檢測。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)?個X射線區(qū)域。超聲檢測的零應力標定等方法與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)，石河子大學本科生學習動機居中等程度。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的進一步分析發(fā)現(xiàn)，總平均分小于臨界的比例相當大，共96人，即有52.17%的大學生學習動機水平不高；總平均分高于4分的（學習動機較強）僅4人，占總人數(shù)的2.17%。從總體上看，本研究證實了當今大學生學習動機偏低，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，需要在教育教學中重視石河子大學本科生的學習動機。

圖8 Q235鋼A組試樣超聲與射線檢測結果對比

圖9 Q235鋼B組試樣超聲與射線檢測結果對比

4.2 685鋼定值試塊

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

圖10 6mm厚定值試塊超聲與射線監(jiān)測結果對比

圖11 20mm厚定值試塊超聲與射線監(jiān)測結果對比

4.3 45鋼C形環(huán)

將C形環(huán)應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)兩次應力加載的超聲與射線檢測結果對比

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射線檢測結果可以看出，超聲法殘余應力檢測值和X射線法應力檢測值并不相同，這是因為超聲法檢測的面積和深度與X射線法不同，但是應力趨勢基本相同，尤其是從4.3中對C形環(huán)應力加載后的應力折線圖可以看出。

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

X射線法的理論與應用都較為完善，各國都有其檢測標準。超聲波法是近幾年才發(fā)展起來的新技術，因此暫無可執(zhí)行的標準。據(jù)此，北京理工大學檢測與控制研究所擬定了《無損檢測——殘余應力的超聲臨界折射縱波無損檢測方法》的國家標準，該標準已于2013年11月通過國家標準化管理委員會的初步審定。該團隊通過對標準總則的進一步完善以及制定殘余應力超聲檢測的校準和試塊標準，最終形成一整套的超聲殘余應力檢測標準體系。

6 工程應用

6.1 管焊縫殘余應力分布

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力的影響，壓力提高后，焊縫附近很容易因殘余拉應力而出現(xiàn)裂紋，進而導致爆管事故。

利用殘余應力超聲檢測與校準系統(tǒng)，對新疆克拉瑪依“西氣東輸”管道焊縫殘余應力進行現(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。為了說明評估結果的準確性，將危險段切下進行打壓爆管試驗，結果如圖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 平板焊縫殘余應力分布

焊接殘余應力的分布不均，會導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)蒙古一機集團和北方重工集團的車輛焊縫及母材的殘余應力進行了超聲無損檢測適應性研究，如圖16所示。該材料為685鋼，焊接工藝為氬弧焊。

圖16 焊接殘余應力檢測

圖17 焊縫兩側焊接殘余應力分布

6.3 軸類零件殘余應力分布

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力進行評估。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進行一次超聲殘余應力檢測，將數(shù)據(jù)繪制成應力云圖如圖18所示。從圖中可看出，扭力軸整體應力為殘余壓應力，局部地區(qū)有50MPa左右的拉應力。

6.4 管類內(nèi)壁殘余應力分布

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

圖18 扭力軸殘余應力的分布云圖

圖19 身管自緊應力分布云圖

6.5 螺栓軸向應力分布

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）的螺栓進行軸向應力檢測，如圖20（a）所示，應力加載試驗在拉伸機上進行。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，達到理想耦合效果。圖20（b）為奧氏體不銹鋼螺栓的加載應力與超聲波檢測對比圖，試驗結果表明，檢測平均誤差在10%以內(nèi)。

6.6 涂覆層下殘余應力分布

對于含有較薄防腐層的構件，超聲波可以滲透防腐層，對構件涂覆層下的殘余應力進行檢測。圖21是對涂有漆膜的鋁合金試件進行殘余應力超聲檢測的現(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力大小還無法檢測。

6.7 玻璃與陶瓷殘余應力分布

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

圖20 螺栓軸向應力測量

圖21 涂有漆膜的鋁合金試件殘余應力檢測

對6mm×120mm×120mm的平板玻璃采用超聲殘余應力檢測。檢測前，對玻璃中部區(qū)域進行加熱處理（100～150℃），然后風冷到室溫，從而人為預置一定殘余應力。殘余應力檢測結果如圖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的殘余應力。

圖22 玻璃表面殘余應力分布云圖

7 結論

（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）的殘余應力值，實現(xiàn)對殘余應力的快速無損檢測。

（2）對比超聲法與X射線法的試驗結果表明，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構件殘余應力狀態(tài)和趨勢，其理論上應該有一定的對應關系。

（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、非常快速、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的國際和國家標準，阻礙了技術的推廣。目前，研究團隊已經(jīng)擬定了《無損檢測——殘余應力的超聲臨界折射縱波無損檢測方法》的國家標準，并已于2013年11月通過國家標準化管理委員會的初步審定。

（4）通過將超聲應力檢測與校準技術應用到焊縫、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力分布檢測中，說明了殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法的準確性、實用性以及應用領域的廣泛性。

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