[发明专利]一种空间三维残余应力超声检测方法

说明书

本发明公开了一种空间三维残余应力超声检测方法，属于超声检测技术领域。步骤一、推导三向应力状态下声弹性方程；步骤二、根据所述三向应力状态下声弹性方程，确定空间三维残余应力超声检测方案。本发明通过理论推导得到三向应力状态下的声弹性方程，并基于此进一步得到了三维空间残余应力的检测方案。本发明提出的三维空间残余应力的检测方法，操作简单，成本较低，具有可行性，解决了现有传统残余应力只能实现单轴或平面检测的不足。同时也为后续三维空间残余应力检测的进一步研究提供了一定的想法与方向。

技术领域

本发明涉及一种空间三维残余应力超声检测方法，属于超声检测技术领域。

背景技术

残余应力是材料内部不均匀塑性变形引起的保持自身平衡的弹性应力，有宏观和微观应力之分。宏观残余应力即材料中晶粒之间的平均应力，是工程应用中主要的检测对象。在各种机械和机器的制作过程中，构件内部均将产生残余应力，所产生的残余应力状态，随各种加工方法或处理方法不同而又较大差别。残余应力以及残余应力分布不均将对构件的疲劳强度、静态强度、结构变形和使用寿命等方面产生重大影响。比如，焊缝残余应力的影响贯穿焊接结构全寿命周期，焊缝残余应力会导致焊缝处出现严重的应力集中，从而导致焊缝产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下会导致焊接件开裂。

相对于其他残余应力无损检测方法，超声无损检测具有检测速度快、人体无辐射伤害、成本低、拥有较佳的空间分辨率和较大范围的检测深度、可实现现场手持便于携带、能够完成表面及次表面宏观参与应力大小与拉压状态的检测等诸多优势，一直以来受到国内外学者的广泛关注。北京理工大学提出一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法(一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法。公开号：CN111442869A)。该发明提供一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，其实施步骤如下：步骤A：基于超声波在各向同性介质中的传播理论，建立二次谐波幅值与基波幅值之间的关系模型，得到相对非线性系数的表达式；步骤B：对螺栓试样进行轴向应力加载实验并进行非线性超声检测，计算出不同应力状态下的相对非线性系数；步骤C：对加载的轴向应力和对应的相对非线性系数进行拟合，确定螺栓轴向应力超声检测系数，最终得到螺栓轴向应力和相对非线性系数的关系式；通过以上步骤，可以实现螺栓轴向应力的非线性超声检测，该方法可以对螺栓的轴向应力进行快速、准确地检测，提高螺栓轴向应力检测技术的准确性和实用性。该方法存在的问题在于：只能实现螺栓轴向的应力检测，无法对残余应力进行空间三维表征。

大连理工大学提出一种平面残余应力电磁超声检测方法(一种平面残余应力电磁超声检测方法。公开号：CN110632177A)。该方法先组装电磁超声检测系统，利用电磁超声表面波探头中的超声线圈测量沿三个方向的应力检测超声信号波形，以标定材料声弹性系数。通过采集待测点三个方向表面波信号，并应用超声检测理论公式计算平面应力大小及方向。该方法采用具有“三发三收”功能的表面波探头，实现了平面应力状态两个主应力及主应力夹角的一次定位、多参同时测量。通过减小超声发射和接收线圈匝数、线宽及线距的方式，来减小收发探头间距，提高探头空间分辨率。采用射频连接器连接电路板与阻抗匹配网络，便于安装和多次重复使用，检测方法简单，效率高。该方法存在的问题在于：该方法及检测系统较为复杂且只能完成待检件的平面残余应力检测，无法对残余应力进行空间三维表征。

中国航空工业集团公司北京航空材料研究院提出一种铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测方法(一种铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测方法。公开号：CN103543206A)。本发明是一种铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测方法，属于无损检测领域，该方法的步骤如下：制作参考试块；测量标定；残余应力测量。该方法采用水浸法，通过控制水温不变能够保证应力标定和应力测量过程的温度一致，从而排除了温度差异对超声波速度的影响，消除温度误差，另外，采用自动扫查架代替手工扫查，能够保证测量过程中探头与待测材料表面的距离不变，从而排除耦合条件差异对声传播时间的影响，消除耦合误差。该方法有利于对铝合金预拉伸板近表面残余应力进行无损评价。该方法存在的问题在于：该方法采用水浸法，检测环境较为限制且只能完成待检件的单方向残余应力检测，无法对残余应力进行空间三维表征。