金属材料残余应力的超声测量方法的探索马丁（中国计量科学研究院）摘要：测量金属材料残余应力 的超声技术是基于超声波速度随应力的变化．本文描述用超声瑞利波测量金属材料由热处理引起的 表面残余应力的方法．一、前言超声波法测量金属材料的残余应力是无损检测的新兴领域，与其它 几种测量金属材料残余应力的方法相比较，它具有对被测件无破坏性，分辨率较高，测量速度快， 费用低及测量仪器轻便等优点。本文记叙了用超声瑞利波测量金属材料由热处理引起的表面残余应 力的方法，并将其测量结果与用Ｘ射线衍射仪所测的结果相比较，发现用这两种方法所测的结果是 非常接近的。二、热处理残余应力的产生原理及应力测量公式的推导】．热处理任余应力的产生原 区金属材料在淬火时所产生的应力称为热处理残余应力，又具体分为热应力和组织应力。本实路即 率回的材料平抑Ｃｒ一四件。中山执府七七上＿热应力产生的原因是工件在淬火冷却过程中，表面 先冷却，体积收缩，心部后冷却体积收缩。当心部开始遇冷收缩时，由于此时表层已经成为冷硬状 态，故对心部产生一个拉应力以阻止它的收缩，而心部也对表面产生一个压应力。当内外温差消失 时，这种应力状态依然存在。此时的应力分布如图１所示。图１残余应力状态分布图２．应力测量 公式的推导由上一节的分析可知，残余应力在工件表面以压应力的形式存在，在心部以拉应力的形 式存在。本实验所用的试件为直径６８ｍｍ，厚度为ｓｍｍ，在试件表面只有轴向压应力和径向压 应力存在，而径向压应力值为０，即在ａｔ件表面只有轴向压应力存在，为单向应力状态。由胡克 定理：可以推导出杨氏模量Ｅ瑞利波波速ＶＲ与试件长度１之间存在如下关系：则试件长度变化量 否１与瑞利波速之间存在如下关系公式（７）即为测量公式。其中，杨氏模量Ｅ，瑞利波速ＶＲ及 １值为自己设定，凸ｔ为实验测出。三、测量方法用超声波测量金属材料的残余应力的方法有很多 种，木实验采用测量时间的方法。这种方法比较简单，测量仪器容易获得。电路方框图如图２所示 。其具体工作过程如下：信号源发出的信号一方面触发发射电路，使其发出高频信号，经传感器Ａ 发射出超声波，另一方面，触发记时装置开始记时。由传感器发出的超声波经过被测件后被传感器 Ｂ接收，经过接收电路转换成电信号触发记时装置停止记时。四、有关实验用数据的确定图２测量 电路方框图由于试件产生残余应力后，要通过Ｘ射线衍射仪测出其具体值，因此试件不能超过３寸 ，又由于瑞利波波速很快，约为３０６９．ｓｉｎ／Ｓ，所以ＡＢ两传感器之间的距离又不能太短 ，以免在时间测量上出现困难及误差。根据以上的要求，确定试件尺寸为：４６８命８的扁圆片装 试件，两传感器之间的距离为６３ｍｍ。其它数据的确定：已知ＡＢ两传感器之间的距离为６３ｍ ｍ，瑞利波波速ＶＲ为３０６８．ｓｉｎ／ｓ，则通过两传感器之间的距离为２０．５３，由此可 确定信号源所发出的频率ｆ为ｓｋＨＺ，计时装置确定为１００ＭＨＺ的记忆示波器。选用非常普 通的频率为２．ＳＭＨＺ，入射角为６２．５度的瑞利波传感器。五、实验步骤试件选用４０Ｃｒ ，制成直径为６８ｍｍ，厚度为ｓｍｍ的扁圆状试件共五块，分别采用不同的热处理工艺以使其产 生不同的残余应力值，其具体的热处理工艺如表１所示。表１试件热处理工艺１．时间记录将仪器 联接好，并将两探头之间的距离调到６３ｍｍ，然后粘结到支架上，这样可以避免在测不同的试件 时两探头之间的距离发生改变而产生误差，在两探头上均匀涂抹耦合液，对探头施一均匀的压力， 使探头与试件耦合。然后开通仪器，把所测到的通过不同试件所用的时间记录在表２中。表２瑞利 波通过６３ｍｍ所用时间２．Ｘ射线行射仪对试件的应力位进行测署将试件表面的氧化皮轻轻去掉 ，然后用Ｘ射线衍射仪采用两点法（０度一４５度角法）测量试件的残余应力值，并将所测到的值 列入表３中。表３Ｘ射线衍射仪所测得残余应力值３．实验过据的空理及误差产生的原因分析将实 验步骤１所测得的时间值代入公式（７）中，便可得出五块试件的残余应力值，以声速ＶＲ为横坐 标，以通过公式（７）所得到的应力值为纵坐标，便可得到一条残余应力一声速的关系曲线，如图 ３所示。我们将用瑞利波测得的残余应力值与用Ｘ射线衍射仪所测得的值分别列入表４中加以比较 。回合表４超声波法与Ｘ射线衍射仪卖测所得结果之比·试块５回火温度为５５０ｔ，可视为无应 力；．．超声波法测得值大于Ｘ射线衍射仪所测值时为正，反之为负。六．结论通过比较我们发现 ，用这两种方法所测得的结果在残余应力值较大时，是非常接近的，在残余应力值较低时则误差比 较大。分析其原因，各应力值较低时，影响声速变化的原因不仅有应力因素，还有温度因素，这两 种因素对声速的影响叠加的和即为声速在低应力状态下的声速实测值。通过图３中的曲线我们可以 发现残余应力值对声速的影响量为。Ｉｋｇｆ／ｍｇ‘，使声速的变化量约为０．０１％，而温度 每升高或降低１度声速的变化量为０．０１％，由此可见，在低应力值时若测量其真实值，需在常 温，而且温度的变化量几乎为加９情况下进行。从目前所公布的资料来看，用超声波测量各种应力 包括热处理残余应力来看，都是测量较大的值。从本实验的大应力值的测量结果来看，精度是非常 高的，达到目前国际水平。参考文献｜｜１何肇基《金属的力学性能》冶金工业出版社，１９８８ 年２刘永铨《钢的热处理》冶金工业出版社，１９８７年３．王笑天《金属材料学》机械工业出版 社，１９８７年４Ｊ西拉德主编陈积懋余南延译《超声检测新技术》科学出版社，１９９１年５． 《
超声波探伤》编写组《超声波探伤》水力电力出版社，１９８６年６．王寅观魏墨鑫邵良华林维 正《应用声学》第八卷第３期Ｐ１—Ｐ４ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆａｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ ＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｔｈｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌＲｅｓｉｄｕ ａｌＳｔｒｅｓｓ￥ＭａＤｉｎｇ（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔｒｏｌｏｇ ｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎ ｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｉｒｅｓｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｖｅｌｏｃ ｉｔｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｃｈａｎｇｅｓｓｌｉｇｈｔｌｙｗｉｔｈｓｔｒｅｓ ｓ，Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃａｌ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｅｔａｌ＇ｓｒｅｓｉ ｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｃａｕｓｅｄｂｙｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓ ｏｎｉｃＲａｙｌｅｉｇｈｗａｖｅａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．（下转第３９页）金属材料残余 应力的超声测量方法的探索@马丁$中国计量科学研究院测量金属材料残余应力的超声技术是基于 超声波速度随应力的变化．本文描述用超声瑞利波测量金属材料由热处理引起的表面残余应力的方 法．１何肇基《金属的力学性能》冶金工业出版社，１９８８年２刘永铨《钢的热处理》冶金工业 出版社，１９８７年３．王笑天《金属材料学》机械工业出版社，１９８７年４Ｊ西拉德主编陈积 懋余南延译《超声检测新技术》科学出版社，１９９１年５．《超声波探伤》编写组《超声波探伤 》水力电力出版社，１９８６年６．王寅观魏墨鑫邵良华林维正《应用声学》第八卷第３期Ｐ１— Ｐ４由此可见，在低应力值时若测量其真实值，需在常温，而且温度的变化量几乎为加９情况下进 行。从目前所公布的资料来看，用超声波测量各种应力包括热处理残余应力来看，都是测量较大的 值。从本实验的大应力值的测量结果来看，精度是非常高的，达到目前国际水平。参考文献｜｜１ 何肇基《金属的力学性能》冶金工业出版社，１９８８年２刘永铨《钢的热处理》冶金工业出版社 ，１９８７年３．王笑天《金属材料学》机械工业出版社，１９８７年４Ｊ西拉德主编陈积懋余南 延译《超声检测新技术》科学出版社，１９９１年５．《超声波探伤》编写组《超声波探伤》水力 电力出版社，１９８６年６．王寅观魏墨鑫邵良华林维正《应用声学》第八卷第３期Ｐ１—Ｐ４Ｅ ｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆａｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆ ｏｒｔｈｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓ￥ＭａＤｉｎｇ（Ｎａｔ ｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔｒｏｌｏｇｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｕｌｔｒａｓ ｏｎｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｉｒｅｓｓｉｓｂａ ｓｅｄｏｎｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ ｃｈａｎｇｅｓｓｌｉｇｈｔｌｙｗｉｔｈｓｔｒｅｓｓ，Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃａｌ，ｍｅａ ｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｅｔａｌ＇ｓｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｃａｕｓｅｄｂｙｈ ｅａｔ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＲａｙｌｅｉｇｈｗａｖｅａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．（下转第３９页）金属材料残余应力的超声测量方法的探索@马丁$中国计 量科学研究院测量金属材料残余应力的超声技术是基于超声波速度随应力的变化．本文描述用超声 瑞利波测量金属材料由热处理引起的表面残余应力的方法．１何肇基《金属的力学性能》冶金工业 出版社，１９８８年２刘永铨《钢的热处理》冶金工业出版社，１９８７年３．王笑天《金属材料学》机械工业出版社，１９８７年４Ｊ西拉德主编陈积懋余南延译《超声检测新技术》科学出版社，１９９１年５．《超声波探伤》编写组《超声波探伤》水力电力出版社，１９８６年６．王寅观魏墨鑫邵良华林维正《应用声学》第八卷第３期Ｐ１—Ｐ４