什么是残余应力?超声应力仪是如何无损检测残余应力的？

1. 什么是残余应力？

残余应力（Residual Stress）是指材料在不受外力作用时，内部仍存在的自平衡应力。它由材料加工或服役过程中的不均匀变形、温度变化、相变等因素引起。

常见来源：

• 制造工艺：焊接、铸造、切削、热处理等过程中因冷却不均或塑性变形产生。

• 表面处理：喷丸强化、镀层、激光冲击等引入表面压应力。

• 装配过程：螺栓预紧、过盈配合等导致局部应力集中。

影响：

• 正面作用：表面压应力可提高疲劳寿命（如喷丸处理）。

• 负面作用：拉应力易引发裂纹、变形或应力腐蚀开裂（如焊接残余应力）。

2. 超声应力仪的无损检测原理

超声应力检测基于声弹性效应（Acoustoelastic Effect），即材料中的应力会改变超声波传播速度。通过测量超声波参数的变化，可间接推算出残余应力。

检测方法：

1. 临界折射纵波法（LCR波法）

• 原理：发射纵波以临界角入射到材料表面，产生沿表面传播的折射纵波（LCR波），其传播速度与应力线性相关。

• 公式：

  $$\Delta v/v_0=K\cdot \sigma$$

  其中 $\Delta v$ 为声速变化，$v_0$ 为无应力时的声速，$K$ 为声弹性系数，$\sigma$ 为应力。

• 优点：对表面应力敏感，适合焊接区、涂层等检测。

2. 表面波（瑞利波）法

• 原理：表面波的传播速度受近表面应力影响，适用于表层应力检测（深度约1~2个波长）。

• 适用场景：喷丸强化、磨削加工后的表面应力评估。

3. 体波法（纵波/横波）

• 原理：通过测量纵波或横波在材料内部的传播时间差计算应力（需已知材料声弹性常数）。

• 适用场景：厚板或内部残余应力检测。

设备组成：

• 超声探头：发射和接收超声波（常用频率1~10MHz）。

• 信号处理单元：精确测量声速或传播时间。

• 校准模块：通过无应力标样确定声弹性系数。

3. 超声应力检测的优势与局限性

优势：

• 无损：无需破坏样品，适合在役检测。

• 快速：单点测量仅需几秒，可现场操作。

• 深层检测：体波法可检测内部应力（深度可达几十毫米）。

局限性：

• 材料依赖性：需预先标定声弹性系数（不同材料需单独校准）。

• 表面要求：粗糙或涂层表面可能影响声波耦合。

• 精度影响：温度变化、微观结构差异会干扰测量结果。

4. 与其他残余应力检测方法对比

5. 典型应用场景

• 航空航天：飞机蒙皮焊接应力、涡轮叶片喷丸强化应力。

• 轨道交通：钢轨焊接残余应力监测。

• 能源设备：核电管道热应力评估。

• 汽车制造：齿轮渗碳层应力检测。

6. 技术发展趋势

• 多模态融合：结合XRD或应变片数据提高精度。

• AI辅助分析：通过机器学习补偿温度、材料不均的影响。

• 便携化：开发手持式超声应力仪用于现场检测。

总结

超声应力仪通过声弹性效应实现残余应力的无损检测，尤其适合工程现场和深层应力评估，但需注意材料校准和环境干扰。在精度要求极高时，可结合XRD等其他方法验证。