無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法
Non-destructive testing—Test method for measuring residual stress using ultrasonic critical refracted longitudinal wave
前 言
本標準按照 GB/T 1.1—2009 給出的規則起草。
本標準由全國無損檢測標準化技術委員會（SAC/TC 56）提出并歸口。
本標準起草單位：北京理工大學。
本標準主要起草人：徐春廣、肖定國、宋文濤、李煥新、潘勤學、劉帥。
本標準規定了基于超聲臨界折射縱波（爬波）測量殘余應力的無損檢測方法。
本標準適用于檢測透聲性良好的金屬和非金屬固體材料和/或構件內的殘余應力和載荷應力。
2 規范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 228.1 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法
GB/T 11345—2013 焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定
GB/T 12604.1 無損檢測 術語 超聲檢測
GB/T 16923 鋼件的正火與退火
GB/T 18852 無損檢測 超聲檢驗 測量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法
GB/T 25712 振動時效工藝參數選擇及效果評定方法
3 術語和定義 GB/T 12604.1界定的術語和定義適用于本文件。 4 人員要求按本標準實施檢測的人員應通過殘余應力超聲臨界折射縱波無損檢測技術的專門培訓。
5 方法概要當發射換能器激發超聲縱波以第一臨界角斜入射到被檢件表面時，依據Snell 定律，可在被檢件材料內部產生超聲臨界折射縱波，并可被接收換能器接收到，如圖1所示。
依據聲彈性原理，材料中的殘余應力會影響超聲縱波傳播速度，當殘余應力方向與縱波方向一致時，拉伸應力使超聲縱波傳播速度變慢或傳播時間t 延長，壓縮應力使超聲縱波傳播速度加快或傳播時間t 縮短。
因此，在激勵和接收兩換能器之間的距離（探頭間距）保持不變的條件下，若測得零應力σ0對應的超聲傳播時間ｔ０ 和被檢件應力σ 對應的超聲傳播時間t，根據時間差可求出被檢件中的殘余應力絕對值σ，即：
σ－σ0 ＝ K（t－ｔ０） .................... (1)
或Δσ ＝ KΔt ......................... (2)式中：Δσ—殘余應力的變化量（應力差）Δσ ＝ σ－σ0；Δt——傳播時間的變化量（聲時差）Δt ＝ t－ｔ０；
K——應力系數，與被檢件的材料和探頭間距有關，可通過拉伸試驗標定獲得（見7.3）
圖1 超聲臨界折射縱波收發原理及殘余應力檢測區域
按本標準所檢測的殘余應力，是被檢件表層下材料內部三維空間區域內沿聲波傳播方向的殘余應力平均值。
6 檢測系統 6.1 儀器殘余應力超聲檢測儀應至少具有如下功能：
a) 頻率設置；
b) 濾波；
c) 超聲激勵電壓控制；
d) 超聲接收增益控制；
e) 超聲臨界折射縱波傳播時間和殘余應力值的計算。 應定期對檢測儀進行綜合性能校準，以確認其檢測數值的準確性。校準間隔最長不超過一年。
6.2.1 應能實現超聲臨界折射縱波的發射和接收。
6.2.2 用于檢測的探頭（至少包含兩個換能器），按 GB/T 18852 規定的方法測試，其性能參數應相同。
6.2.3 檢測所用的探頭應是應力系數標定和零應力校準時所用探頭。
6.2.4 探頭接觸面與被檢件表面應良好耦合，如果被檢件表面為曲面，耦合狀態應符合 GB/T 11345—2013 的 6.3.4 規定。
6.3 耦合劑應使用適當的耦合劑，以保證在工作溫度范圍內探頭與被檢件表面具有穩定可靠的超聲耦合。應力系數獲得、零應力校準和檢測過程中應使用相同的耦合劑，并保持相同的耦合狀態。
6.4 零應力試塊
6.4.1 材料
應采用與被檢件材料金相組織狀態和表面粗糙度相同的材料。
6.4.2 形狀和尺寸
試塊的形狀見圖2，尺寸范圍見表1，允許誤差±0.1mm。標定區域的表面粗糙度Ra 應小于10μm。
圖2 試塊
表1 試塊的尺寸范圍
6.4.3 零應力處理
可采用如下之一方法來獲得零應力：
a) 按 GB/T 16923 所述方法，對試塊進行去應力退火處理，退火后試塊的金相組織狀態應與被檢 件的材料組織狀態相同；
b) 按 GB/T 25712 所述方法，對試塊進行振動時效去應力處理，近似得到應力為零的試塊。
7 檢測 7.1 檢測前準備7.1.1 檢測區域
檢測區域的大小與探頭尺寸和檢測頻率有關（見圖1），檢測區域長度 L 為臨界折射縱波傳播距 離（即探頭間距，通常為5mm～100mm），檢測區域寬度 W 為換能器晶片寬度或直徑（通常為5mm～ 30mm），檢測區域深度 D 由頻率決定：
式中： D——檢測區域深度（mm）；
f——探頭中心頻率（MHz）；
α——檢測深度修正系數（mm/ns），常用金屬材料參考值：鋼5.98，鋁6.40，銅4.81。 檢測區域大小應大于等于探頭尺寸覆蓋的范圍，或由合同約定。7.1.2 探頭布置方案
根據7.1.1確定的檢測區域，設計探頭布置方案，明確探頭檢測位置。
7.1.3 表面準備
檢測位置的表面粗糙度Ra 應小于等于10μm。
7.2 檢測儀器的調整和設置
按照使用說明書，將殘余應力超聲檢測儀器調整到正常工作狀態。 根據所確定的檢測區域（7.1.1），設置檢測頻率、濾波帶寬、超聲激勵電壓、超聲接收增益、探頭間距和位置等檢測參數。
7.3 應力系數標定按7.2調整和設置檢測儀器，將探頭穩固耦合在零應力試塊（6.4）的標定區域內，按GB/T 228.1 規定的方法，在常溫環境（22±2℃）下，對零應力試塊（6.4）進行拉伸試驗。
在材料彈性范圍內，記錄檢測儀器的聲時差Δt 和拉伸試驗設備輸出的拉應力變化Δσ。測量點不少 于10點，重復拉伸次數不少于5次，取平均值，繪制出拉伸應力值與聲時差的坐標圖，如圖3所示。對數 據進行線性擬合，得到的直線斜率的倒數即為應力系數K。
注：圖中示例數據的試驗條件為：檢測頻率5MHz，探頭間距30mm，被檢件材料45號冷軋鋼，環境溫度23℃。
圖3 拉伸應力值與聲時差的線性關系按7.2調整和設置檢測儀器，將探頭穩定耦合在零應力試塊（6.4）的標定區域內，記錄儀器測出的 零應力對應的超聲臨界折射縱波傳播時間 t0。
7.5.1 按 7.2 調整和設置檢測儀器。根據探頭布置方案（7.1.2），將探頭穩定耦合在檢測位置。
7.5.2 記錄儀器測出的被檢件內的超聲臨界折射縱波傳播時間 t。
7.5.3 根據式（1）或式（2），計算出被檢件內的殘余應力值 Δσ 或 σ（設 σ0＝0）。所得殘余應力絕 對值 σ 為負值表示壓縮應力，正值表示拉伸應力。
注：此計算過程可由人工完成，也可由計算機軟件自動完成。
8 溫度補償與修正檢測被檢件時的環境溫度與應力系數標定時的環境溫度差異應在±15℃范圍內，并應根據溫度差對 檢測到的殘余應力數值進行溫度補償修正，如果超出該溫度范圍，應該選用特殊探頭或耦合劑，重新校準應力系數和零應力聲時。
溫度改變會影響材料內超聲縱波傳播速度，從而影響到殘余應力的檢測準確性。為提高檢測準確性， 應對檢測到的殘余應力值進行溫度補償和修正。補償之前可從材料手冊或試驗方法（如GB/T 23900）獲得在工作溫度范圍內被檢件材料的聲速溫度關系。
9 檢測報告檢測報告的內容應至少包括下列信息：
a) 檢測單位、人員、日期等；
b) 被檢件的材料、厚度、表面粗糙度和曲率等；
c) 探頭中心頻率和間距、及檢測儀器的濾波帶寬、增益和采集頻率等；
d) 檢測時的環境溫度；
e) 檢測區域；
f) 殘余應力數值。
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