残余应力及检测方法
残余应力及检测方法
一、残余应力简介及检测方法对比
众所周知，工件在制造过程中，会受到各种因素的作用与影响。当这些因素消失之后，若构件所受到的作用与影响不能完全消失，则会有部分作用与影响残留在构件内，这种残留的作用与影响，称作残余应力。残余应力对工件有着很大的伤害，会使工件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。针对这一问题，在现在的科技环境下，产生了几种检测应力的方法，这几种方法都存在各自的优缺点，对比图如下：
X射线衍射法经过了市场的检验，优点是技术较为成熟且稳定，缺点是检测仪器比较笨重，操作耗时且伴随着辐射。（3）超声波应力检测法超声波应力检测法的优点在于操作简便、快速、不损伤材料，也不会对检测人员造成伤害。而它的缺点就在于这是一项新的技术，虽然经过多家大型实验室的测验，但是市场检验度还不够高。综合来看，超声波应力检测技术具有很大的现场适用性，下文对该技术进行详细介绍。
二、超声波应力检测技术
1、超声波应力测试仪
近些年国内超声波应力检测技术的研究进展较快，下图展示为我公司自主研发的一台超声波应力测试设备及配套软件，它是一款工业级高精度超声波应力测量设备，通过软件实现信号的激发和采集，根据声弹性理论进行残余应力的计算，可无损测定被测对象积聚的应力。
超声波应力测试设备（采集模块）
该设备符合国标GB/T 32073-2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》的要求，具备频率设置、滤波、超声激励、残余应力值计算等基本功能。
以下为该设备具有的优势和特点：
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可同时测量应力、声时、壁厚、声速，实时显示超声波形，具有一定探伤功能；
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配备高频数据采集卡，对上万次测量结果进行算法优化，测量结果更准确；
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集成了温度传感器，通过温度补偿消除温度对检测结果的影响；
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采集模块分体式设计，易于拆装，可无线连接显示操作模块，移动性强，易于现场使用；
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设备可搭载锂电池独立供电，有效地解决了野外现场供电难的问题；
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优良的抗干扰能力和可靠性，拥有出色的信噪比。
2、超声波应力检测原理
超声波应力测量法是基于材料的声弹性理论，即依据被测对象中超声波传播速度与应力之间存在的固有关系，将这种特性转为数字信号表征的力学定量检测手段。
超声波应力检测原理图
3、超声波近表面应力检测
近表面应力检测是材料或零部件残余应力检测较为典型的应用场景。测量采用一对收发分离的超声波探头（也称超声波换能器），如图所示，探头声束入射角需满足**临界角的基本条件，激发的超声波也被称作“临界折射纵波”（LCR），声传播的基本特征是：超声激励方式为脉冲激励形式，LCR沿被测对象近表面区域传播。可检测的深度取决于使用探头的频率和被测对象材质：
近表面应力检测示意图
对于临界折射纵波，与应力之间的关系简化表示如下：
可以用声时差表示：
也可以用相对声速表示：
式中：σ±为应力测量值（MPa）；Δtc为声时差（声速差）（ns）；Kσ为声弹系数（MPa/ns）。
拉应力会使得声音传播速度减慢，声时差为正；压应力会使声音传播速度加快，声时差为负。
通常同种材料的该值恒定，b为常数（MPa）。b的理论上为零，但是实际工程应用中，b往往不为零，主要由以下几个因素决定：
1）仪器分辨率；
2）零应力参考试块的“剩余应力”；
3）标定时的载荷范围选择及拉伸机的稳定性。
4、超声波应力检测方法的优势
超声波应力检测方法的优势有以下几点：
（1）不对被测对象产生任何损伤；
（2）测量快速，单点测试不超过4s，可实现实时检测，也可用于系统集成实现自动化或半自动化应力检测；
（3）测量深度较大，近表面应力检测深度2mm以内；
（4）无任何辐射，操作安全，无需任何防护；
（5）既可测量应力，也可检测试件内部的缺陷，还可用于高精度测厚；
（6）适用材料广泛，理论上可以应用于任何非吸声材料。
5、超声波应力检测法与X射线的比较
X射线检测普通碳钢已经非常成熟，但对铝合金、不锈钢、钛合金等存在大晶粒或织构组织的材料，检测方法还不成熟。X射线法存在以下局限性：
（1）X射线法受透射深度所限，只能无破坏地测表面应力，若测深层应力，也需破坏试样，超声法深度可以达到数米；
（2）当被测对象不能给出明确的衍射线时，X射线法测量精度不高，若能给出明确衍射线的试样，其测量误差为±20MPa；
（3）试样晶粒尺寸太大或太小时，测量精度不高。晶粒的尺寸对超声法也有影响，但是晶粒补偿功能的引入，使得超声对粗晶材料同样具备检测能力；
（4）大型零件不能测试，超声检测效率非常高，可在较短的时间内测量整个零件的应力分布；
（5）运动状态中瞬时应力检测也有困难，但是超声法具备实时在线准确测量应力的能力；
（6）不适宜测量单晶材料的应力，而超声法不受此限制。
6、超声波应力检测法与盲孔法比较
相较于超声法和X射线法，盲孔法属于是一种有损的检测方式，需要在试件上进行钻孔。这种方式的特殊性决定了它比较适合生产过程中的抽检，或者允许破坏性检测场合，对很多在线或者在役的设备而言，在试件上开孔是不切实际的。
（1）盲孔法适用于测量梯度比较大的残余应力场；
（2）盲孔法测量中的应力释放属于部分释放，释放应变测量灵敏度只有剖分法的25%，因此盲孔法测量精度低，不太适合低水平残余应力测量；
（3）测量的仅仅是表面残余应力，无法测量材料内部的残余应力。
7、超声波应力检测技术行业规范
目前行业内已经形成了GB/T 32073-2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》、Q/SY 05009—2016《油气管道焊缝应力超声检测技术规范》和T/CMCA 4007-2019《钢结构残余应力超声检测技术规程》等规范，使得行业应用有据可依。
8、超声波应力检测技术的应用
超声波应力检测技术，经过近几年的快速发展，已经大量应用于石油化工、油气管道、航空航天和桥梁建筑等工程领域当中。
近几年，我们为钢结构大桥、支撑辊、机械泵架、压力容器、风电叶根、滚筒体等多种结构提供了残余应力检测技术服务，部分案例如下图所示。
大桥钢结构残余应力检测
机械泵架焊接残余应力检测
袖管三通焊接残余应力测试
压力容器焊接残余应力检测
支撑辊残余应力检测
石化管道残余应力检测
