本發(fā)明涉及一種殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法，具體涉及一種表面殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

殘余應(yīng)力是在外力作用下，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力，有時(shí)也被稱為內(nèi)應(yīng)力或鎖定應(yīng)力。環(huán)境溫度變化或諸如軋制、鍛造、焊接等機(jī)械處理過程均引起材料局部塑性變形，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬部件的工藝性能和服役壽命往往與金屬材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力息息相關(guān)。在構(gòu)件服役過程中，由于殘余應(yīng)力與外載荷相互疊加，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生二次變形，這種局部不均勻的彈塑性變形會(huì)使材料晶格發(fā)生變化，導(dǎo)致局部殘余應(yīng)力重新分布，降低材料的抗疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抗應(yīng)力腐蝕開裂能力等，引發(fā)早期的故障和安全事故。在某些情況下，殘余應(yīng)力的存在也會(huì)有助于提高結(jié)構(gòu)的完整性。例如，通過噴丸處理預(yù)制殘余應(yīng)力，改善材料中的應(yīng)力分布和微觀結(jié)構(gòu)。從而有效延緩裂紋擴(kuò)展速率，提高構(gòu)件的疲勞壽命。所以，開展殘余應(yīng)力的表征研究，確定殘余應(yīng)力大小及分布情況尤為重要。

近年來(lái)，殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程專家關(guān)注的焦點(diǎn)。為獲得更為可靠評(píng)估結(jié)果，迄今為止針對(duì)不同類型部件的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法多達(dá)數(shù)十種，其中某些具體方法已經(jīng)演變了幾十年。根據(jù)測(cè)量方法對(duì)構(gòu)件的損傷程度，這些測(cè)量方法大體可以分為三類：破壞性、半破壞性和非破壞性。破壞性和半破壞性技術(shù)，也稱為機(jī)械檢測(cè)方法。此類方法采用從樣品中移除材料的方式來(lái)完全或部分消除應(yīng)力，并通過測(cè)量由于應(yīng)力釋放產(chǎn)生的位移推斷原始應(yīng)力。非破壞性方法包括x射線衍射法、中子衍射法、超聲波法等，這些技術(shù)通過測(cè)量與應(yīng)力相關(guān)的參數(shù)計(jì)算殘余應(yīng)力。超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)的理論基礎(chǔ)是聲彈性理論，即固體中超聲波速度取決于材料中的應(yīng)力狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)在于較高的準(zhǔn)確性和分辨度、無(wú)損且沒有輻射傷害、設(shè)備便攜且具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

超聲無(wú)損檢測(cè)中，超聲波在入射到材料表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種波型，包括在材料內(nèi)部傳播的體波(縱波、橫波均屬于體波)，和沿材料表面?zhèn)鞑サ膌cr臨界折射縱波、表面波等波型。在彈性材料中，利用超聲波的橫波和縱波測(cè)量得到的殘余應(yīng)力往往是沿材料厚度方向的平均值。然而，在工程領(lǐng)域，缺陷和裂紋更多集中在材料表面，而非材料內(nèi)部。因此，超聲無(wú)損檢測(cè)中，經(jīng)常應(yīng)用表面波檢測(cè)材料表面的應(yīng)力狀態(tài)。

目前，已有文獻(xiàn)和專利提出應(yīng)用表面波檢測(cè)材料表面損傷區(qū)域的殘余應(yīng)力，例如，采用楔塊法激發(fā)表面波測(cè)量表面波速度。楔塊法所采用的裝置如圖1所示，包括待測(cè)試樣103表面的用于激發(fā)超聲表面波的楔塊101、102。該楔塊101、102通過相應(yīng)兩個(gè)平行夾板1051及將兩個(gè)夾板1051緊固在一起的螺栓1052將激發(fā)楔塊101和接收楔塊102與一拉伸試樣103夾緊固定，激發(fā)楔塊101與接收楔塊102均有一個(gè)貼合面1011、1021緊貼在拉深試樣103的表面上，拉伸試樣103的兩端由一拉伸試驗(yàn)機(jī)夾緊。該裝置還包括兩個(gè)超聲波探頭104、105，分別為寬帶縱波探頭104和窄帶縱波探頭105，其中寬帶縱波探頭104在激發(fā)楔塊101的一個(gè)第一斜面1012上與激發(fā)楔塊101耦合，所述第一斜面1012與拉伸試樣103的表面的夾角為瑞利波激發(fā)角度；窄帶縱波探頭105在接收楔塊102的一個(gè)第二斜面1022上與接收楔塊102耦合，所述第二斜面1022與拉伸試樣103的表面的夾角為瑞利角。所述第一斜面1012與所述第二斜面1022彼此相對(duì)，使得寬帶縱波探頭104的發(fā)射路徑、窄帶縱波探頭105的接收路徑與拉伸試樣103表面的法線能夠處于同一平面上；且激發(fā)楔塊101與接收楔塊102彼此間隔一定距離，使得激發(fā)楔塊101與接收楔塊102之間的拉伸試樣103的表面暴露在空氣中。激發(fā)楔塊101與接收楔塊102以有機(jī)玻璃作為材料，與拉伸試樣103之間填充有耦合劑。所述激發(fā)楔塊101與接收楔塊102的末端設(shè)有斜槽1013，避免反射波影響測(cè)量結(jié)果。由此，該裝置可以通過寬帶縱波探頭104發(fā)出超聲波縱波，該超聲波縱波經(jīng)激發(fā)楔塊101的折射在拉伸試樣103的表面上激發(fā)超聲表面波，該超聲表面波在拉伸試樣103的表面上傳播一段距離隨后由接收楔塊102接收該表面波并將該超聲表面波折射為激發(fā)超聲信號(hào)，激發(fā)楔塊101與接收楔塊102之間的距離即為超聲表面波的傳播距離。

利用該裝置，可以采用楔塊法激發(fā)表面波并得到表面波的傳播速度，具體包括如下步驟：首先，將超聲縱波探頭分別與制作楔塊的材料和待測(cè)試樣耦合，采用聲時(shí)法測(cè)量超聲縱波在兩種材料中的傳播速度。然后，根據(jù)表面波特性及snell定律計(jì)算得到的楔塊的瑞利波激發(fā)角度，制作能夠激發(fā)和接收超聲表面波的楔塊(即激發(fā)楔塊101和接收楔塊2)，并測(cè)量超聲表面波在特定距離內(nèi)的傳播時(shí)間。接著，將所述特定距離除以所述傳播時(shí)間，可以計(jì)算出超聲表面波的速度。

但是，該方法存在一定的局限性：(1)這種方法多采用“一發(fā)一收”或“一發(fā)兩收”式，測(cè)量得到的結(jié)果往往是聲通道內(nèi)的平均值，難以測(cè)量局部區(qū)域的殘余應(yīng)力狀態(tài)；(2)這種方法為接觸式測(cè)量方法，只能適用于平面的表面殘余應(yīng)力的測(cè)量，但是對(duì)于種類繁多的金屬構(gòu)件，特別是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)或曲面構(gòu)件，應(yīng)用傳統(tǒng)的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法難以獲得定性和定量的結(jié)果。因此，亟需研究開發(fā)一種能夠應(yīng)用于曲面結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種試樣表面殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的殘余應(yīng)力的檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)曲面結(jié)構(gòu)表面的殘余應(yīng)力的檢測(cè)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)，包括一超聲測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置分別與一個(gè)控制裝置和一示波器相連，其特征在于，所述超聲測(cè)試裝置向一探頭豎直向下的聚焦換能器供電，接收該聚焦換能器的超聲探頭的信號(hào)，并將所述信號(hào)發(fā)送給示波器，所述聚焦換能器下方還設(shè)有一試樣槽，所述試樣槽裝有液體，所述聚焦換能器的超聲探頭浸沒在所述液體中，一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在所述試樣槽上，且與一聚焦換能器相連。

測(cè)試裝置所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由控制裝置控制。

所述控制裝置為單片機(jī)或pc，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)。

所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)精度為0.025mm到0.05mm；聚焦換能器的頻率為0.5mhz到50mhz。

所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過支架固定在所述試樣槽上，且通過夾具和緊固件與一聚焦換能器相連。

本發(fā)明還提供一種試樣表面殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，包括：步驟s1，選擇材料制作沖擊試樣和與所述沖擊試樣同一母材的多個(gè)拉伸試樣；步驟s2，測(cè)量所述拉伸試樣的表面波速度-應(yīng)力關(guān)系曲線；步驟s3，用權(quán)利要求1所述的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量所述沖擊試樣表面被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度；步驟s4，根據(jù)所述沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度對(duì)照所述表面波速度-應(yīng)力關(guān)系曲線，得到所述沖擊試樣被測(cè)區(qū)域的殘余應(yīng)力。

進(jìn)一步地，s31中，所述沖擊試樣被表面水平地放置在所述試樣槽中。

進(jìn)一步地，步驟s3包括：步驟s31，將所述沖擊試樣置于權(quán)利要求1所述試樣槽中，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿豎直方向移動(dòng)聚焦換能器，聚焦換能器的超聲探頭接收移動(dòng)不同距離時(shí)超聲波的信號(hào)幅值，得到所述超聲波信號(hào)幅值隨超聲探頭的移動(dòng)距離的變化周期；步驟s32，根據(jù)所述變化周期計(jì)算得到所述沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度。

所述沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度可以通過下式計(jì)算：

f是超聲波激勵(lì)頻率；δz是所述聚焦換能器接收到的超聲波信號(hào)幅值隨超聲探頭的移動(dòng)距離的變化周期；vc是超聲波在所述試樣槽的液體中的傳播速度，vr是超聲表面波在材料中的傳播速度。

進(jìn)一步地，s31中，所述沖擊試樣與聚焦換能器的間距為1mm-200mm，較佳采用55mm。

所述步驟s2采用楔塊法激發(fā)表面波進(jìn)行測(cè)量，得到所述拉伸試樣的表面波速度-應(yīng)力關(guān)系曲線。

本發(fā)明的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)由于只測(cè)量了傳播超聲表面波的區(qū)域即聚焦換能器正對(duì)區(qū)域的超聲表面波速度，激發(fā)的超聲表面波在材料內(nèi)部的傳播距離很小，因此實(shí)現(xiàn)了局部區(qū)域超聲波檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域殘余應(yīng)力的計(jì)算；由于采用液體耦合方式的聚焦換能器激發(fā)表面波，所以該方法可以測(cè)量曲面結(jié)構(gòu)表面的超聲波聲速，并進(jìn)行殘余應(yīng)力計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)曲面結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的測(cè)量，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等)的在役檢測(cè)提供了可能。此外，本發(fā)明采用單片機(jī)由控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聚焦換能器的升降，節(jié)省了操作時(shí)間，提高了殘余應(yīng)力測(cè)量的精確性。

附圖說明

圖1是采用現(xiàn)有技術(shù)的楔塊法激發(fā)表面波的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是超聲波聚焦換能器發(fā)射和接收超聲波干涉波的原理圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)的連接示意圖；

圖4是如圖3所示的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)的聚焦換能器安裝在水槽上的示意圖；

圖5是沖擊試樣的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是可翻轉(zhuǎn)夾具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是表面波速度與應(yīng)力的關(guān)系曲線；

圖8是v(z)曲線示意圖；

圖9是超聲波法與x射線衍射法測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地理解本發(fā)明的功能、特點(diǎn)。

圖3和圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)。如圖3所示是超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)的電路圖，該超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)包括超聲測(cè)量裝置2，該超聲測(cè)量裝置2與一單片機(jī)1和一示波器4相連，所述超聲測(cè)試裝置2向一聚焦換能器3供電，接收該聚焦換能器3的超聲探頭31的信號(hào)，并將所述信號(hào)發(fā)送給示波器4。此外，超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)還包括一個(gè)由單片機(jī)1控制且與聚焦換能器3連接的步進(jìn)電機(jī)5。

該聚焦換能器3通過步進(jìn)電機(jī)5安裝在一用于放置試樣8(如圖5所示)的水槽6上，其安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。聚焦換能器3位于該水槽6上方，步進(jìn)電機(jī)5與固定聚焦換能器3的夾具32之間采用螺紋連接，并在夾具32兩側(cè)設(shè)置了擋板33。步進(jìn)電機(jī)5通過支架51固定在該水槽6上，通過調(diào)節(jié)支架51的位置可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)5在豎直方向上的升降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)5步進(jìn)時(shí)，其螺桿52轉(zhuǎn)動(dòng)，由于擋板33在周向的約束作用，夾具32只能沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)聚焦換能器3在豎直方向上的移動(dòng)。

如圖5所示，所述試樣8的截面為梯形。水槽6底部設(shè)有一如圖6所示的夾具7以將試樣8固定，用于在測(cè)量過程中使試樣8保持水平。為了實(shí)現(xiàn)以水為耦合劑的條件，水槽6中注有一定量的水，使超聲探頭61表面充分沒入水中，當(dāng)然這里的水也可用其他液體替換。

優(yōu)選地，聚焦換能器3的頻率為0.5mhz到50mhz的某一固定值。為了能夠更加簡(jiǎn)便、快捷的檢測(cè)葉片損傷區(qū)域的殘余應(yīng)力，本發(fā)明利用單片機(jī)和labview軟件編寫了步進(jìn)電機(jī)5的控制程序；本發(fā)明還可以用pc實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。本申請(qǐng)中采用能夠控制聚焦換能在豎直方向上的精確移動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)5，如兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，也可采用其他型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)5實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的。步進(jìn)電機(jī)5的步進(jìn)精度為0.025mm到0.05mm，從而精確控制聚焦換能器在豎直方向上的位置。由此，單片機(jī)1控制步進(jìn)電機(jī)5實(shí)現(xiàn)聚焦換能器的升降，提高了實(shí)驗(yàn)的精確性，節(jié)省了操作時(shí)間，大大提高了殘余應(yīng)力測(cè)量的效率。

所述超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的基本原理是v(z)曲線理論。如圖2所示，聚焦換能器3為常規(guī)的壓電陶瓷片附加聲透鏡換能器，其探頭31豎直向下正對(duì)沖擊試樣8，與其間隔一定距離，且通過水9與之耦合。

聚焦換能器3沿豎直向下方向發(fā)出由聚焦換能器3發(fā)出的超聲波中，大部分被試樣8反射后因?yàn)槭艿骄劢够∶娴挠绊?，超聲波傳播路徑?huì)產(chǎn)生偏折，無(wú)法被聚焦換能器接收，如圖中的3#射線。需要說明的是聚焦弧面為液體和換能器的交界面，弧面曲率的變化會(huì)影響聚焦焦距的變化，但不會(huì)對(duì)超聲傳播速度產(chǎn)生影響。

然而有兩條超聲波射線十分重要。第一條是1#射線，它沿聚焦換能器的軸線傳播，經(jīng)試樣表面反射后沿原路徑返回。第二條是2#射線，以瑞利角θr入射到試樣表面，在試樣表面激發(fā)出速度為vr的瑞利波，因此瑞利波又在液體-固體材料交界面處的瑞利角方向激發(fā)出聲波，沿與入射超聲波信號(hào)對(duì)稱的路徑返回?fù)Q能器，這兩個(gè)超聲射線在換能器上激發(fā)出的壓電信號(hào)將按照它們的振幅和相位疊加，于是可以觀察到它們的干涉現(xiàn)象。

通常將離開聚焦換能器的方向設(shè)為z的正方向，將試樣表面即聚焦平面設(shè)為z＝0的平面，將2#射線的延長(zhǎng)線在試樣中會(huì)聚的散焦位置的深度設(shè)為z，干涉波信號(hào)的幅值隨該散焦位置的深度z的改變呈周期性變化。在聚焦弧面不變的情況下，弧面曲率不變，散焦位置相對(duì)于聚焦換能器的位置不變，通過改變聚焦換能器與試樣表面之間的距離即可改變散焦位置的深度z進(jìn)而改變兩束波的相位差。由此，結(jié)合在聚焦換能器與試樣表面之間的不同距離下的干涉波的信號(hào)幅值v(z)，得到帶有變化周期δz的v(z)曲線。由于z的變化值與聚焦換能器與試樣表面之間的距離變化值，即聚焦換能器的超聲探頭沿豎直方向的移動(dòng)距離大小相同，所以該變化周期δz也是超聲探頭的移動(dòng)距離的變化周期。

由于測(cè)量時(shí)只測(cè)量了傳播了超聲表面波的區(qū)域即聚焦換能器正對(duì)區(qū)域的超聲表面波速度，又由于采用自發(fā)自收的聚焦式聚焦換能器激發(fā)了超聲表面波，而所有超聲表面波在材料內(nèi)部的傳播距離均小于5mm，因此實(shí)現(xiàn)了局部區(qū)域殘余應(yīng)力的檢測(cè)。此外，由于采用液體耦合方式的聚焦換能器激發(fā)表面波，所以該方法可以測(cè)量曲面結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)曲面結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的測(cè)量，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等)的在役檢測(cè)提供了可能。

根據(jù)該周期δz可以計(jì)算沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度，該傳播速度的計(jì)算公式為：

式中，f是超聲波激勵(lì)頻率；δz是v(z)曲線的變化周期；vc是超聲波在水中的傳播速度，vr是表面波在材料中的傳播速度。

由此，根據(jù)利用本發(fā)明提供的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的不同聚焦換能器與試樣表面的距離z時(shí)的接收到的干涉波的信號(hào)幅值，可以得到干涉波的信號(hào)幅值的變化周期；再根據(jù)周期δz與表面波速度之間的關(guān)系，計(jì)算得到被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度。

此外，本發(fā)明還提供了一種對(duì)曲面金屬試樣進(jìn)行表面殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，具體包括以下步驟：

步驟s1，選擇與制作材料的曲面和平面金屬試樣，并利用沖擊試驗(yàn)在其上造成沖擊損傷。制作拉伸試樣可以利用現(xiàn)有的拉伸試驗(yàn)機(jī)，試樣規(guī)格參考國(guó)標(biāo)gb/t228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：溫室試驗(yàn)方法》。由于選用ti-6al-4v材料制作待測(cè)沖擊試樣，拉伸試樣同樣選用ti-6al-4v材料。此處，拉伸試樣厚度為4mm，平行段寬度為20mm，平行段長(zhǎng)度為80mm。為保證實(shí)驗(yàn)的精確性，本實(shí)例中制作5根形狀相同的拉伸試樣。

步驟s2，采用楔塊法，利用楔塊激發(fā)超聲表面波并測(cè)量步驟s1中所述拉伸試樣的表面波速度-應(yīng)力關(guān)系曲線。首先，應(yīng)用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)步驟s1中的5個(gè)拉伸試樣進(jìn)行單軸應(yīng)力加載，使試樣受拉應(yīng)力，應(yīng)力以50mpa的幅值遞增直至250mpa。每次將試樣拉伸到一個(gè)固定應(yīng)力后，應(yīng)用楔塊法測(cè)量在該應(yīng)力狀態(tài)下超聲表面波的在特定距離內(nèi)的傳播時(shí)間，計(jì)算出不同應(yīng)力下超聲表面波的速度。接著，將測(cè)量得到的不同應(yīng)力下超聲表面波的速度數(shù)據(jù)擬合成超聲表面波速度-應(yīng)力的關(guān)系曲線。

該步驟s2采用楔塊法激發(fā)表面波進(jìn)行測(cè)量，用于確定在某種特定材料中超聲表面波的傳播速度與其殘余應(yīng)力的關(guān)系曲線。由于試驗(yàn)時(shí)被測(cè)量的拉伸試樣的表面是平整的且其中的殘余應(yīng)力是均一的，所以利用該現(xiàn)有方法的測(cè)量結(jié)果是可靠的。由于殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致超聲波速度大小發(fā)生變化，通過測(cè)量超聲波速度的變化可以測(cè)得殘余應(yīng)力的大小，后續(xù)試驗(yàn)中可根據(jù)測(cè)量得到的超聲表面波速度結(jié)合超聲表面波速度-應(yīng)力關(guān)系曲線得到損傷區(qū)域的殘余應(yīng)力。

步驟s3，采用本發(fā)明提供的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量所述沖擊試樣表面被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度，具體包括如下步驟：

步驟s31，將所述沖擊試樣置于上文所述的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)的水槽6中，使其位于超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)的聚焦換能器3的探頭的正下方且間隔一定距離。隨后，打開labview軟件和超聲測(cè)量系統(tǒng)，通過labview軟件控制步進(jìn)電機(jī)沿豎直方向移動(dòng)聚焦換能器，改變沖擊試樣的表面與聚焦換能器的探頭之間的距離，由聚焦換能器向試樣表面發(fā)射超聲表面波，測(cè)量沖擊試樣表面與聚焦換能器的探頭相距不同距離時(shí)的接收到的干涉波的信號(hào)幅值，得到所述超聲波信號(hào)幅值隨超聲探頭的移動(dòng)距離的變化周期。其中，該沖擊試樣與聚焦換能器的間距可以在1mm-200mm的范圍內(nèi)變化。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可以計(jì)算得到被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度。

步驟s32，根據(jù)所述變化周期計(jì)算得到所述沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度。該沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度可由上文所述的公式(1)計(jì)算。

步驟s4，將由步驟s3測(cè)量得到的沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度，結(jié)合s2中得到的表面波速度-應(yīng)力關(guān)系曲線，獲得沖擊試樣被測(cè)區(qū)域的殘余應(yīng)力。

測(cè)量結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，超聲波縱波在有機(jī)玻璃中的傳播速度為2720m/s，在ti-6al-4v材料中的傳播速度為2996.64m/s，根據(jù)snell定律計(jì)算得到激發(fā)表面所需的瑞利角為65°。實(shí)驗(yàn)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，在一定傳播距離內(nèi)，多次測(cè)量得到的超聲表面波傳播時(shí)間波動(dòng)較大，經(jīng)過計(jì)算得到每0.028mm的變化會(huì)導(dǎo)致接收時(shí)間產(chǎn)生10μs的誤差。改變激發(fā)楔塊與接收楔塊之間的連接方式，在楔塊厚邊末端設(shè)計(jì)了斜槽，避免反射波影響測(cè)量結(jié)果，改進(jìn)后的誤差時(shí)間穩(wěn)定在0.005μs-0.01μs之間。利用該楔塊測(cè)量ti-6al-4v材料在不同應(yīng)力條件下的超聲表面波在特定距離內(nèi)的傳播時(shí)間，擬合得到的超聲表面波速度-應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖7所示，除了轉(zhuǎn)折點(diǎn)外，隨著應(yīng)力的增加，超聲表面波速度均勻減小。

本試驗(yàn)測(cè)量區(qū)域?yàn)閾p傷區(qū)域周圍的凸緣處。試驗(yàn)中采用焦距為71mm的聚焦換能器。為保證超聲測(cè)量區(qū)與x射線衍射法測(cè)量區(qū)域相似，聚焦換能器與試樣間距設(shè)定為55mm，此時(shí)根據(jù)計(jì)算得到理論被測(cè)區(qū)域約為4.5mm，即圖2中ab之間的距離。步驟s31測(cè)量得到的聚焦換能器的超聲探頭接收移動(dòng)不同距離時(shí)超聲波的信號(hào)幅值可由如圖8所示的v(z)曲線表示，根據(jù)該曲線的周期可以計(jì)算沖擊試樣被測(cè)區(qū)域表面波的傳播速度。

隨后測(cè)量如圖5所示的沖擊試樣其上各點(diǎn)的殘余應(yīng)力，沖擊試樣損傷區(qū)域殘余應(yīng)力的超聲測(cè)量結(jié)果如下表1所示：

表1試樣損傷區(qū)域殘余應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果

表1試樣損傷區(qū)域殘余應(yīng)力

然后，將沖擊試樣損傷區(qū)域殘余應(yīng)力的超聲測(cè)量結(jié)果和x射線衍射法測(cè)量結(jié)果的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖9所示，沖擊試樣損傷區(qū)域殘余應(yīng)力的超聲測(cè)量結(jié)果和x射線衍射法測(cè)量結(jié)果的趨勢(shì)基本一致，且結(jié)果表明，兩種方法的差值小于ti-6al-4v材料屈服極限的0.1倍。

以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。例如，本發(fā)明的超聲表面波聲速測(cè)量系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)可用手動(dòng)精密滑臺(tái)或傳動(dòng)軸承代替。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。