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激光超声在材料应力测量中的应用

2007-01-19 17:40
seele_jin
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石一飞  沈中华  陆建  倪晓武
南京理工大学信息物理与工程系

摘要:结合激光超声高频宽带、非接触等优点,介绍了其用于材料应力测量的研究现状,并提出一套基于表面波声弹效应的实验系统。

1.引言
在生产、加工和处理材料的过程中,由于材料内部局部区域产生不均匀塑性变形,必然会产生残余应力。严格地讲,完全没有残余应力的材料是不存在的。残余应力作为一种内应力对工件或材料各项性能的影响越来越受到人们的关注。例如工件经热处理和机械加工后零件出现大尺寸的变化、磨削时出现开裂、光学件的衬底的金属工件变形导致元件无法使用等问题都与残余应力有关。尤其对材料疲劳性能的影响最为明显,因而严重地降低了组成工件的材料结构强度、疲劳寿命等。因此,找到可以准确测量残余应力的测试方法一直是国内外研究的热点。

本文在介绍了残余应力的常用测量手段的基础上,重点论述了基于超声波法测应力的基本原理,采用高功率脉冲激光作为新型的超声源,来测量材料表面及内部的应力方法,给出了双闭环表面波回鸣法实验装置的基本设计方案。

2.残余应力的常用测量手段
残余应力测试方法的研究始于20世纪30年代,发展至今已经形成数十种测试手段。这些测试方法大致可以分为机械测试法和物理测试法。
机械测试法的基本原理是将材料具有残余应力的部分[1-4],用一定的方法进行局部的分离或切割,从而使残余应力被局部释放,产生相应的形变,通过各种方法测出这时的形变值,然后用弹性力学来求出残余应力。由于机械测试法是基于应力释放的,所以机械测试法都对被测样品有一定的破坏,并且实时性较差。机械测试法包括钻孔法、取条法、切槽法和剥层法等。

物理测试法主要包括X射线衍射法[5,6]、磁性法[7]、超声波法[8]。X 射线对晶体晶格的衍射发生干涉现象, 可求出晶格的面间距, 并确定残余应力。它的优点是可以测量出应力的绝对值;但该方法对被测物体的表面状况有较严格的要求,测量时要格外小心,否则可能带来较大测量误差。另外,某些材料的焊接金属较大时,很难找到衍射面;在测内部应力时必须剥层,这对于大型工件有一定困难。磁性法利用磁致伸缩效应来测定应力, 当应力变化时, 由于物体的伸缩引起磁路中磁通的变化, 并使感应器线圈的感应电流发生变化,由此变化可以测出应力的变化。它的最大特点是测量速度快, 非接触测量, 适合现场, 但测试结果受很多因素影响, 可靠性和精度差, 量值标定困难,对材质较敏感, 且仅能用于铁磁材料。磁性法都是需要外部激励磁场来工作, 因此带来了磁化不均匀, 设备笨重, 消耗能源, 剩磁和磁污染等问题。

超声波法是无损测定残余应力的一种新方法。声弹性波理论和实验研究结果表明,在工件中存在应力作用时,超声波在各向同性弹性体内的传播速度与没有应力作用时的传播速度是不同的。传播速度的差异与所作用的应力大小有关。如果能够获取无应力和有应力作用时,弹性体内横波和纵波的传播速度的变化,就可得到应力的大小。超声波法的一个方案是基于超声速度对应力状态的依赖关系,测量的是正交偏振两横波的回波时间,简称回振法。超声波法的另一个方案是在构件表面采用瑞利波和纵波,评价因应变-位移关系弱非线性引起的速度差别,由此确定其残余应力,即利用声弹效应方法。激光超声[9]是利用高能激光束激励被检测物体表面材料产生宽频带的超声波,并采用光学方法进行检测,具有高分辨率、非接触、可远距离探测等许多优点,尤其适合于一些恶劣环境场合,如在高温、具有腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等环境下使用,而且激励光束与被检测物体表面无需保持严格的垂直等固定的角度关系,亦不需要复杂的扫描机构。因此,激光超声特别容易实现快速自动化扫描检测。这一技术既具有超声检测定量定性准确、又具有非接触的特点,能实现构件的准确快速的无损检测。已经应用到材料属性标定[10],表面及内部缺陷检测[11]等领域。利用激光作为超声源来探测残余应力,在具备超声波法无损、可测任意深度的残余应力分布的优点以外,还可发挥激光易扫描、空间分辨率高、远距离激发及接收等优点。

3.激光超声法测量应力研究现状
1953年,Hughes[12]根据有限变形理论提出了超声波的传播速度与材料的三阶弹性系数的关系并进行了实验验证,由此奠定了声弹法测量残余应力的理论基础。1967年,Crecraft[13] 实验测量了三种金属在加载应力作用下的超声波速,并由此计算了三阶弹性系数。从此,声弹性技术的理论及实验研究广泛地开展起来了。理论上采用扰动法[14]、特征方程[15]、刚性矩阵[16]等方法得到各种材料中各声波模式的声弹性关系,实验方面主要在于提高声速的测量精度,Crecraft[13]采用回鸣法重复测量,Becker[17]采用全反射法将声速测量转变为反射角测量来提高精度,也有许多学者致力于声波测量方法的改进研究中[18-21]。在应用方面,国外也有利用声弹效应测量由于焊接残余应力[22]和喷丸硬化处理后材料表面残余应力[23]方面的工作报导。但在已有的工作中,声波是由接触方式激发的,如电磁声换能器和传统的压电换能器。这样的声源频率通常限制在1~2MHz,因此如果声速测量精度要达0.1%甚至更高的话,带来的问题就是声波的传播距离很长,因此测到的是应力是沿传播方向的积分结果。但在工业上要求的是应力的局部分布情况,这只能依靠高空间精度测量来实现。

激光超声由于光源灵活,可以聚焦成点源,线源,激发高频声波,因此具有高的时间和空间分辨率,容易实现高精度测量,空间分辨率可达mm量级,2000年,Doxbeck等[24]用激光激发体剪切波和纵波来测量材料的残余应力,2001年,Duquennoy等[25]用激光激发,PZT接收超声瑞利波测量管材表面的残余应力,2004年,Ruiz等[26]讨论了激光声表面波在表面处理材料上由于应力引起的传播色散。我国在利用激光超声手段进行残余应力无损检测方面主要有同济大学[27]从实验上证实了试样的残余应力分布可引发声表面波在不同位置上声速的相对变化等。但在利用激光超声对工件的残余应力进行定量分布测试尚未开展。

4.测试机理及实验装置
超声波波速与应力状态有关的现象,不论在弹性范围还是在非线性应力一应变范围均存在。超声波的剪切波在物体中传播时产生双折射,其波速随应力状态而变化。利用超声波双折射现象量测应力的方法叫声弹性法。在物体内传播的超声波除剪切播(s波)外,还有纵波(P波)、瑞利波。它们的波速也随应力状态而变化,应用该特点进行应力测定的方法称为广义声弹性法。超声波双折射值由两部分组成。一是因材料的内部组成不同而引起的,叫构造效应;一是因应力状态不同而引起的,叫应力效应。若要测定某载荷作用下的应力,首先要测出无应力状态下的构造效应,再从该载荷下所测出的双折射值中扣除上述构造效应便可分离出应力效应。固体中弹性波的各种模式的波都与应力有关,声弹性的内容相当丰富,在声弹性应力测量中,由于所测量的物理量不同,声弹性公式的形式也不尽相同。根据弹性波的类型,现将声弹性公式总结如下:


通过横波和纵波声弹性公式可以测量材料内部的残余应力,利用表面波声弹效应可以测量材料表面的残余应力。

激光超声测量残余应力的技术难点在于声速的精确测量,由此我们提出了一套双闭环表面波回鸣法的实验装置,装置图如图1,激发光源是输出波长1064nm,脉宽10ns的Nd:YAG脉冲激光器,其单脉冲输出能量为70mJ。脉冲激光经过分光片时,有一小部分能量被反射入光电二极管作为示波器的触发信号,其余能量衰减后经三棱镜1反射,通过焦距为100mm的柱面镜会聚成长10mm,宽300μm的线光源作用于水平放置的样品上,激发出表面波。三棱镜和柱面镜放置在高精密平移台上,通过整体平移可以调节线光源与检测点之间的距离,平移台的移动距离通过光栅尺测得。超声探测部分是Bosa Nova公司的非线性干涉仪,测量精度是1nm。干涉仪的输出信号同时输入示波器和计数电路,当计数电路收到输入信号时,就再次触发激光器,进行重复测量,计数电路的计数次数可以设定。本套系统通过光栅尺来闭环控制步进电机的移动距离,通过计数电路实现对激光器的激发控制,实现回鸣法声速测量,通过多次测量算出声波传播时间的平均值,然后得到声速,再根据表面波的声弹性公式(3)和(4)计算出应力值。


图1 双闭环表面波回鸣法实验装置

1.Nd:YAG激光器 2.分束镜 3.衰减片 4.三棱镜 5.柱面镜 6.样品 7.精密平移台 8.非线性干涉仪 9.计数电路 10.光电二极管 11.示波器 12计算机

5.结论
本文在介绍了残余应力的常用测量手段的基础上,重点论述了利用超声波法的基本原理,采用激光作为新型的超声源,来测量材料表面及内部的应力方法,给出了双闭环表面波回鸣法实验装置的基本设计方案。

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