残余应力测量——超声波技术

超声应力测量技术是唯一一种便携式、无损、全厚度应力测量技术，适用于多种材料。

超声波（2 MHz - 10 MHz）通常用于检测工程材料中的缺陷，但它们也可用于测量应力、施加应力和残余应力。超声波穿过材料的速度受所存在应力的方向和大小的影响，这称为声弹性效应。因此，可以通过准确测量穿过该材料的受应力和未受应力区域的超声波的飞行时间变化来计算材料内存在的应力的大小和方向。例如，铝中 1MPa 的应力对应于大约 1.7 ns 的飞行时间变化。

需要注意的是：

1. 为了获得应力的绝对测量值，需要将受应力材料中的飞行时间测量值与未受应力材料中的飞行时间测量值进行比较，
2. 测量的应力大小将是在发射器和接收器之间作用的应力的平均值。

地下测量

斯内尔定律：

对于次表面应力测量，使用临界折射纵波 (L cr )，它正好在样品表面下方并平行于样品表面传播。L cr波通过将换能器连接到具有正确倾斜度的楔块上进行传输和接收，该楔块用于测试的样品材料，如 Snell 定律所定义。

和：

V ss : 试样的声学剪切速度

V Ls : 试样的声学纵向速度

V Sw : 楔子的声学剪切速度

V Lw : 楔子的声学纵向速度

L cr波对应力的敏感性最大，因为超声波的传播路径和粒子运动都与测量的应力方向相同，即作用在发射器和接收器之间的方向上的应力。

超声楔形 TOF 图：

全厚度测量

纵向波和剪切波都可用于测量在脉冲回波或传输配置中通过大部分试样材料作用的平均应力。对于全厚度测量，试样的测量表面必须平行。

通过厚度配置：

纵波用于测量作用在厚度方向的应力，即波传播和粒子运动的方向。而剪切波是极化的，因此质点运动垂直于传播方向，因此可用于测量在质点运动方向上平行于试样表面作用的应力。更先进的横波双折射技术使用两个横波换能器作用在样品的厚度上，为受应力和无应力状态提供同时的飞行时间测量，假设它是一种均匀的各向同性材料。通过厚度达 150 毫米的试样，可以准确、实用地测量全厚度应力

除了对应力敏感之外，超声波通过样品的速度还取决于样品的温度和微观结构。因此，通过样本传播的超声波的飞行时间变化Δt为：

Δ t =  Δ t AS  + Δ t RS + Δ t T + Δ t M   

其中Δ t AS是由于施加的应力变化引起的飞行时间变化，Δ t RS是由于残余应力变化引起的飞行时间变化，Δ t T是由于施加的应力变化引起的飞行时间变化Δt M是由于微观结构变化引起的飞行时间变化。

可以校正施加的应力和温度的变化，但是很难解释试样材料微观结构的变化。因此，在存在残余应力之前和之后测量同一组件或同一组件内的最佳方法是将微观结构变化保持在最低限度，从而提供准确的结果。微观结构变化会影响材料的声弹系数L ij，该系数用于最终计算施加的应力和/或残余应力，因此：

Δσ = E。 Δ t ⁄ (L ij  . T 0 ) 

其中Δ σ是应力变化，E是材料杨氏模量，t 0是无应力条件下的飞行时间。

超声技术的优点：

• 无损技术；
• 实验室或“现场”测量；
• 可进行三轴残余应力测量；
• 精确测量高强度残余应力；
• 测量深度可达 150 毫米；
• 适用材料广泛；
• 非常适合测量施加的应力；
• 非常快速的测量过程。

超声技术的缺点：

• 需要无应力参考测量以提供绝对应力测量；
• 对微观结构变化非常敏感；
• 在相对较大的量规体积上提供平均应力测量；
• 全厚度测量要求组件表面平行；
• 不适用于形状复杂的部件；
• 需要良好的组件表面光洁度；
• 空间分辨率很难指定。

参考资料和延伸阅读：

3. Egle, DM, Bray, DE (1976) “轨道钢的声弹性和三阶弹性常数的测量”，美国声学杂志 60(3):741744。
4. Sajauskas, S. (2004) 纵向表面声波，考纳斯理工大学，立陶宛。
5. Schneider, E. (1997) “超声波技术” 4:522-563。在：Hauk V (ed) 结构和残余应力分析通过无损方法，爱思唯尔：阿姆斯特丹
6. 维基百科：声弹效应

7. Youtube：PZFlex - NDT：相控阵剪切波焊缝检测
8. Youtube：物理学和天文学动画：横波和纵波
9. Sadeghi, S., Najafabadi, MA, Javadi, Y., 使用超声波和有限元法评估铝板搅拌摩擦焊接中的全厚度残余应力分布，材料和设计 52 (2013) 870-880, 2013