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残余应力超声检测的基本原理

发表时间 : 2017/10/13 10:37:55

前期大家对残余应力超声检测的基本概念及其工程应用做了一定了解,本篇主要先容残余应力超声检测的基本原理。

理论研究说明:弹性波在有应力固体材料中的传播速度不仅与材料的二阶弹性常数和密度有关,同时还与材料的高阶弹性常数和应力有关。这种现象称为声弹性效应。声弹性理论是研究超声无损检测残余应力的重要理论依据之一。

一、声弹性理论

声弹性理论主要是研究弹性波在固体材料中的传播速度与应力之间的关系,其基本假设为:

(1)连续体假设,因为在常用的超声波频率范围内(20kHz~20MHz),弹性波波长远大于材料的晶粒尺寸及微小缺陷的尺寸;

(2)声波的小扰动叠加在物体的静态有限变形上;

(3)物体是超弹性的、均匀的;

(4)物体在变形过程中可视为等温或等熵过程。

在存在初始应力的各项同性固体材料中,弹性波的速度取决于固体材料的密度和二阶、三阶弹性常数以及固体材料中初始应力状态。

1.jpg

1有应力状态下声速V与应力σ坐标示意图

当各向同性固体材料受到一个应力方向作用时,弹性波(纵波和剪切波)在材料中传播的声速和应力大小是存在一定的关系的。

二、临界折射纵波法残余应力检测理论

当固体材料中的应力为零应力状态时,超声纵波在材料中的传播声速为:

2.1.jpg                                   2.1

其中,为固体材料为零应力时,纵波的声速。

材料在应力作用下,当超声波在各向同性介质中传播时,会表现出声弹性效应,即应力的大小不同,超声波在其中的传播速度不同。

沿着应力方向传播纵波声速与应力之间的关系表现为超声纵波在固体材料中应力的变化量与声速的变化量成线性关系,即当应力变大时(拉应力为正,压应力为负,当应力从拉应力变为压应力时,此时认为应力变小),纵波声速会变小,当应力变小时,纵波声速变大。

声弹性效应很微弱,超声波传播速度受应力变化的影响非常小,实验研究表明,300MPa引起的声速变化约为0.3%,声速的准确测量对检测设备的精度和灵敏度都有较高的要求,传统的检测方法及设备难以满足要求。

在传播距离固定时,超声波传播速度与传播时间满足特定关系,声传播时间的测量和计算相对简单,在现有的实验条件和设备条件下可以实现对声时的精确测量,故可通过测量和计算声时的变化量来反映声速改变量,从而计算出应力的变化量,这就是声时法的应力检测原理。

在超声波传播距离固定为s时,声速与传播时间之间的关系可以表示为:

                   2.2.jpg    2.2

对于固定的传播距离,可以近似认为t=t0 t0为零应力状态下,纵波在传播距离固定为s时所需要的传播时间,对于同一种材料,t0为恒定值,则声时变化量与应力的变化量成线性关系,只要精确检测出声波传播的时间就可以准确检测材料中的残余应力。

2.1  临界折射纵波产生

由于不同介质的声阻抗不同,当一束声波从一种介质斜入射到另一种介质中时,在两种介质的交界面处会发生声波反射和折射现象。图2所示为超声波反射与折射现象示意图,其中,在界面处发生折射的部分在界面处发生波形的转换,在另一种介质中折射产生折射横波和折射纵波。折射波的折射角大小不仅与入射声波的入射角大小有关,还与超声纵波和横波在两种介质(介质1和介质2)中的传播速度有关,它们之间满足Snell定律,入射角和折射角关系如式(2.3)所示,其中,θI表示超声纵波的入射角度,VI表示超声纵波在介质1中的传播速度,θL表示折射纵波的折射角度,VL表示折射产生的纵波在介质2中的传播速度,θS表示折射横波的折射角度,VS表示折射产生的横波在介质2中的传播速度。

2.3.jpg  (2.3)

                 

从(2.3)式可知,折射角θLθS随着入射角θI的增大而增大。当介质1中的超声纵波声速小于介质2中的纵波声速时,令θL=90°即折射产生的纵波角度为90°时可求出一个入射角,此时的入射角定义为第一临界角,折射产生的纵波即为超声临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal wave),简称LCR波。

             2.4.jpg      (2.4)

3.jpg

3 临界折射纵波的产生

如图3所示,压电晶片的超声换能器激励出纵波,并通过声楔块以第一临界角度从一种介质入射到另一种介质中,在第二种介质的表面产生临界折射纵波并沿着介质表面进行传播。

2.2  基于临界折射纵波残余应力检测

当临界折射纵波纵波在被测材料固定距离中传播时,其应力的变化量与声时的变化量成线性关系。

因此,在没有外部载荷作用情况下,残余应力引起的声时变化量为:

2.5.jpg                        (2.5)

式中t为声波传播的总时间,t0表示无应力和温度影响下,临界折射纵波从激励到接收所需的时间;tF为外力作用引起的声波传播时间的改变量;tσ为残余应力引起的声时变化量;tT为由温度变化引起的声时变化。

基于临界折射纵波的残余应力2.6.jpgKL为应力系数。

 

总结:

本篇简单先容了声弹性理论及基于声弹性理论基础上的临界折射纵波的残余应力检测理论。通过对检测原理的简单了解让大家能更好的认识何为残余应力超声检测,为大家进一步的理解和掌握残余应力超声检测方法打下基础。

 

附件:工程案例

11.png

12.jpg 

 

1 我国西部某长输管道裂纹附近九个区域残余应力分布图


 

 

2 高铁车架残余应力测试及分布图

 

31.png

32.png

 

 

3 场站管道残余应力测试

 

参考文献:《残余应力的超声检测方法》----北京理工大学  徐春广教授等


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