超声波：助力精准、高效的材料应力检测技术和能力

更新时间：2024-11-24  作者: 振动时效去应力

  在现代工业，材料残余应力的测量与控制对于确定保证产品质量、预防设备故障、优化工艺参数至关重要。超声波法测量材料残余应力技术作为一种新型的应力分析方法，凭借其非破坏性、高精度和高效率等特点，正在慢慢的变成为应力测量领域的首选技术之一。

  残余应力一直是材料力学一个重要的指标，关系到其使用性能。起初人们在对材料经过热处理、机械加工后发现会表现出变形的情况，需要重复加工以达到使用上的要求。然而，人们常常忽略材料在工艺前后会因其较大的内应力导致使用上的性能下降。

  针对这样的一种情况，人们发明了一些方法来探索对内应力的表征。经过数十年的发展，目前市面上惯常使用的仍然是盲孔法，即通过测量材料某处应力的累积释放来间接表示其残余应力，然而此方法会对原本试样有破坏。而后其余表征方法也逐渐发展和完善起来，但通常只在实验室等场景小规模使用。

  超声残余应力检测技术是一种基于超声波声学原理的非破坏性应力测量方法。它通过测量材料内部超声波传播特性的变化来评估材料在制造、加工、热处理等过程中产生的残余应力。这种技术大范围的应用于航空航天、汽车制造、机械工程、石油化学工业等领域。为质量控制和安全生产提供了有力支持。

  超声残余应力检测技术是基于超声波探伤的理论基础上发展而来的技术，其原理是超声波在固体材料中传播时传播速度与应力状态之间的关联特性。当材料受到应力作用时，其内部微观结构发生轻微变化，直接或间接地导致声波传播速度发生一些改变。通过精确测量声波传播速度的变化差距，可以分析出材料内部的应力状态。这种技术具有非破坏性、高精度、高效率等特点，且实现了不损伤材料表面的情况下实现对材料内部应力的准确测量。

  对于板材的近表面超声残余应力检测，常用的测量方式为临界折射纵波法，其意即声束入射角接近第一临界角，激发的超声波通过换能器以脉冲激励的形式折射向待测材料，最终再折射后被信号接收换能器接收。区别于表面波，被称作临界折射纵波(即LCR波)，LCR波沿被测对象近表面区域平行方向传播。

  可测量的深度取决于使用探头的频率和被测对象材质：D=α·f(-0.96)

  其中，α为检测深度修正系数，与材料的固有声速相关；f为探头激发超声波中心频率。

  由于材料内部受各种各样的因素会有应力变化，基于声弹性理论，此时材料的声速也会受到相应的改变，导致出现声时延差。

  超声回波信号的声时差变化也受其他因素影响，比如材料表面氧化皮，温度和晶粒尺寸等，测量前须进行一定的处理。

  作为一种较新的测试技术，超声波LCR法能轻松实现无损、快速、稳定的材料残余应力测量。其使用主要有三个步骤：

  1. 系数标定。客户要提供与待测物体同批次或相同材料的拉伸试样，送达我们的实验室做应力系数和静态应力修正值的测量标定；对于一些常见材料，也可直接从我部的材料数据库中提取。

  2. 应力测量。客户送检样品或现场检测，通常要求材料待测区域平整、无明显加工痕迹、内部组织均匀且不应有较大弯曲，通常材料表面状态越好、内部组织越均匀，测得的数据更精确。由于仪器的特殊原理，需要有一个统一基准来使数据得以呈现，因此一个好的基准试块（准确地，零应力试块）是决定整体实验数据结果准确性的关键。常用的基准试块的应力释放处理有时效处理，去应力退火和超声共振应力调控等。

  3. 提供报告。在现场测量后得到的数据因数据量较大且复杂无法直接用，有必要进行整理、计算等处理后方可体现于报告中。

  比如，由于受应力材料的声时差非常小，即使使用精密的仪器也可能受到杂波、缺陷或表面状态的干扰导致数据失真。工程师需要逐点核对声波曲线以确定数据是不是有效。）

  针对超声波的临界纵波方法，一般会用的标准为GB/T 32073-2015， 其中涵盖了对于测试方法、标定试块，基准试块等的规定。该技术的测试能力见下表：

  无损耗：无需对材料表明上进行破坏性处理，可在不影响材料性能的前提下进行仔细的检测，不会对材料造成结构损伤。

  高精度：优化的信号处理算法和高精度传感器，能够准确测量材料内部的残余应力分布和大小。确保结果的准确性和可靠性

  高效率：每点的实际测量时间可控制在1分钟内（条件允许）可在短时间内完成大量应力测试任务，提高生产效率。

  高适配：支持多种测量模式，适用于各种简单形状和多种尺寸的材料，包括板材、棒材、管材等，满足多种行业用户的检测需求。

  自动化：基于我们成熟的在线设备生产设计经验，该系统可集成在各种在线、离线使用场景中提供多线程的自动化智能应用。

  超声波法测量材料残余应力技术可在广泛的行业得到应用，包括但不限于航空航天、汽车制造、石油化学工业、机械制造等多个领域。尤其是在高端装备制造和新材料研发中，其对于评估材料性能、预测常规使用的寿命和优化生产的基本工艺具有无法替代的价值。

  在航空航天领域，该技术可用于检测飞机,发动机叶片、飞机结构件等核心部件的残余应力，确保飞行安全;在汽车制造领域，可用于评估汽车零部件如发动机缸体、曲轴等的残余应力状态，提升产品质量;在石油化学工业领域，可用于检测能承受压力的容器、管道等设备的残余应力，预防设备失效和安全事故。

  综上所述，利用超声波测量材料的残余应力技术目前已日趋成熟，其绿色、安全、便捷和无损等特性的优势可实现替代部分传统的应力测试方法。这种方法作为一种的方法已经逐渐得到一些市场应用。而这种，我们也在积极的开发这种技术的更多使用场景，向各行业提供技术方案与定制开发。我们期待与各行业的质量检验检验专家交流与合作，推动超声残余应力检测技术的发展和应用。

  钢研纳克300797）在残余应力测试方面除了具备X射线衍射法、小孔法等技术能力外，同事具备超声残余应力和微磁残余应力等无损测试方法，可给用户更好的提供系统性的残余应力测试解决方案。