宋廣三

（鎮(zhèn)江海關 江蘇鎮(zhèn)江 212004）

1 前言

在制備和加工過程中或者受外載荷作用時，材料會在其內(nèi)部產(chǎn)生應力，當應力超過材料的強度時，會導致材料失效。因此，一些關鍵構(gòu)件在使用過程中，必須監(jiān)測材料內(nèi)部的應力分布，以保證構(gòu)件的使用安全。測試應力的方法主要分為無損和有損2類。作為一種無損檢測方法，超聲法由于其安全、快捷等特點受到廣泛關注。

超聲法測應力主要應用聲彈效應，即聲波的傳播速度在應力作用下發(fā)生相應變化的現(xiàn)象，可用于測試材料中載荷應力及殘余應力分布。利用超聲的聲彈效應測試應力主要涉及超聲縱波、橫波、表面波和蘭姆波等波型。在相關文獻報道中用縱波測試螺栓中的應力以及鋼絲繩的應力，利用超聲橫波測試木材中的應力，而用超聲表面波主要測試壓力容器和焊接鋼管的殘余應力等。應用時具體到每種波型都有各自的優(yōu)缺點，超聲縱波與橫波的測試結(jié)果表示材料中沿波傳播方向上應力分布的平均效果；蘭姆波的測試結(jié)果則表示板殼型結(jié)構(gòu)中的應力分布；表面波的測試結(jié)果表示材料表面處應力的分布。在工程應用中，構(gòu)件中的應力分布狀態(tài)通常是表面應力處于相對較大的狀態(tài)，且構(gòu)件的失效往往是由于表面應力集中產(chǎn)生裂紋，如焊接殘余應力等。因此，研究用超聲表面波法測試材料的表面應力更具有實際意義。本文主要研究用超聲表面波測試鋁合金材料的聲彈性常數(shù)以及受載時的應力分布，為后期用表面波法測試殘余應力打下基礎。

2 超聲表面波的聲彈性理論

超聲表面波是由Lord Rayleigh首先于1885年提出[1]，并由Lamb推導了在半無限空間下點載荷和線載荷作用下的理論解[2]。Hayes和Rivlin等研究了半無限空間表面波在各向同性材料內(nèi)沿拉伸方向傳播的規(guī)律[3]，Hirao等研究了在均勻介質(zhì)中超聲表面波的聲彈效應[4]，Duquennoy等人利用超聲表面波測試垂直正交材料中的應力分布[5]。Eryi Hu等利用超聲表面波測試了Q235鋼的表面應力分布，并分析了實驗環(huán)境溫度對結(jié)果的影響[6]。Siamak Akhshik等用超聲表面波測試了鋼管環(huán)縫的焊接殘余應力，并討論了提高實驗精度的方法[7]。研究結(jié)果表明超聲表面波測試材料表面應力具有很高的靈敏度。

在彈性、初始各向同性的材料內(nèi)建立直角坐標系（X，Y，Z），詳見圖 1。 圖中 σ1，σ2分別為 XY 平面內(nèi)的主應力。由表面波傳播特性可知其聲壓幅度隨Z方向厚度增加指數(shù)衰減并迅速衰減為零。沿X，Y方向傳播的瑞利波所對應的聲彈公式[8]可表示為：

其中，VR1，VR2，VR0—沿 X，Y 方向傳播瑞利波的聲速和初始聲速；ΔVR1，ΔVR2—其在應力作用下聲速的變化量，K11，K12，K21，K22—沿與材料二階、三階彈性常數(shù)相關的聲彈性常數(shù)。由于材料各向同性，因此，K11=K22，K12=K21。 方程可簡化為：

在應力測試過程中，K1和K2常通過測試已知應力作用下瑞利波聲速的相對變化而得到，詳見圖2。

圖1 材料中的應力分布和瑞利波傳播方向

圖2 加載方向與瑞利波的傳播方向

3 測試試樣和檢測方法

實驗采用噴射沉積法制備的航空用7055型鋁合金，具有密度低、強度高和材質(zhì)均勻等特點，可近似認為具有各向同性。其化學成分詳見表1。

表1 7055鋁合金化學成分

加工的壓縮試樣和拉伸試樣，其尺寸分別為：100 mm×70 mm×20 mm和 240 mm×70 mm×12.5 mm。實驗采用CMT5105電子萬能實驗機進行加載，根據(jù)回振法測試超聲表面波在材料中的傳播速度。由UVM-2超聲回振模塊激勵頻率為2.5 MHz的超聲表面波探頭產(chǎn)生表面波，由接收探頭接收超聲信號，通過改變聲波傳播距離引起傳播時間變化測試聲速。回振模塊的回振次數(shù)為10 000次，時間測試分辨率為10～11 s。由于聲彈效應是弱效應，應力作用下聲速變化不大，為了實現(xiàn)精確測試材料中的傳播聲速，在要求提高時間測試分辨率的同時，必須考慮表面波在探頭內(nèi)部和耦合劑中的傳播時間以及信號在導線中的傳播時間。測試裝置及方法參照中國專利《一種用于精確測量鐵磁性材料表面波聲速的夾具及測量裝置》（ZL201220583692.3）所公開的內(nèi)容實施。所用夾具詳見圖3。圖中2個夾具上開有兩孔用于穿出探頭的線座，夾具底部的側(cè)翼用于固定夾具，兩夾具上孔間距不等，以實現(xiàn)改變傳播距離的目的。本實驗以橡膠帶替代磁性吸附裝置將夾具固定在試樣上，以實現(xiàn)探頭與試樣之間的彈性接觸。

圖3 表面波聲速測試夾具

4 實驗數(shù)據(jù)與分析

將壓縮試樣沿σ1方向進行單軸壓縮時，測試沿平行和垂直于σ1方向傳播的表面波聲速隨應力變化的情況，詳見圖4。由圖4可知，隨著σ1壓應力的增大，平行于應力方向傳播的表面波聲速逐漸增大，而垂直于應力方向傳播的表面波聲速逐漸減小，二者都近似成線性關系（負表示為壓應力，正則表示為拉應力）。

式（5）中的常數(shù)項是由材料在制備和加工過程產(chǎn)生的各向異性或殘余應力以及實驗過程中產(chǎn)生的誤差等因素造成的。由公式（5）可得兩相互垂直方向上表面波傳播聲速與7055鋁合金試樣內(nèi)的應力關系：

當材料處于平面應力狀態(tài)時，可以通過測量沿主應力σ1、σ2兩相互垂直方向傳播表面波聲速的變化確定材料所受的主應力。

圖4 壓應力作用下表面波聲速相對變化隨應力的變化關系

實驗將壓縮試樣旋轉(zhuǎn)90°沿寬度方向進行加載，測試不同載荷作用下平行于和垂直于應力方向的表面波聲速變化，并由公式（6）計算應力。由于所求應力為單軸應力，因此可同時用平行于應力方向和垂直于應力方向的表面波聲速進行計算，計算結(jié)果詳見圖5。圖中理論值通過所加載荷和截面積計算得到，而實驗值是由測得的聲速通過公式（6）計算得到，校準值則是用公式（6）進行計算時考慮公式（5）中的常數(shù)項校準得到的。由計算結(jié)果可知用垂直于應力方向傳播的表面波聲速變化測試材料表面的應力分布誤差較小，而用平行于應力方向傳播的表面波聲速變化測試應力結(jié)果誤差較大。計算過程中考慮材料在自由狀態(tài)下的聲各向異性可以減小應力測試誤差。

在測試過程中同時對處于拉伸狀態(tài)下的7055型鋁合金進行了測試，實驗結(jié)果詳見圖6。由圖6可知，隨拉應力的增大，平行于應力方向傳播的表面波聲速隨應力增大而減小，垂直于應力方向傳播的表面波聲速隨應力增大而增大，其規(guī)律與試樣受壓時恰恰相反。根據(jù)以上實驗結(jié)果，當需測試應力時首先測量材料在自由狀態(tài)下的表面波聲速，可以根據(jù)表面波的傳播方向以及聲速的變化趨勢判斷材料所處的拉壓應力狀態(tài)，再利用對應公式計算應力分布，從而提供一種快速準確測試材料表面應力分布的無損方法。

圖5 表面波聲速測應力

圖6 拉應力作用下表面波聲速隨應力的變化關系

5 結(jié)論

本文研究了應用超聲表面波的聲彈效應測試鋁合金材料表面的應力分布。通過回振法測表面波聲速隨應力變化而引起的微小變化，參照中國專利《一種用于精確測量鐵磁性材料表面波聲速的夾具及測量裝置》設計的方案實現(xiàn)了探頭與測試材料之間穩(wěn)定的彈性接觸，并用單軸應力加載法求得材料的聲彈性常數(shù)，得到表面波聲速隨應力的變化規(guī)律以及應力的計算公式，為材料或構(gòu)件的質(zhì)量監(jiān)測提供了一種快速準確的無損檢測方法。