基于超声表面波法的航空铝合金表面应力测试

宋广三

（镇江海关 江苏镇江 212004）

1 前言

在制备和加工过程中或者受外载荷作用时，材料会在其内部产生应力，当应力超过材料的强度时，会导致材料失效。因此，一些关键构件在使用过程中，必须监测材料内部的应力分布，以保证构件的使用安全。测试应力的方法主要分为无损和有损2类。作为一种无损检测方法，超声法由于其安全、快捷等特点受到广泛关注。

超声法测应力主要应用声弹效应，即声波的传播速度在应力作用下发生相应变化的现象，可用于测试材料中载荷应力及残余应力分布。利用超声的声弹效应测试应力主要涉及超声纵波、横波、表面波和兰姆波等波型。在相关文献报道中用纵波测试螺栓中的应力以及钢丝绳的应力，利用超声横波测试木材中的应力，而用超声表面波主要测试压力容器和焊接钢管的残余应力等。应用时具体到每种波型都有各自的优缺点，超声纵波与横波的测试结果表示材料中沿波传播方向上应力分布的平均效果；兰姆波的测试结果则表示板壳型结构中的应力分布；表面波的测试结果表示材料表面处应力的分布。在工程应用中，构件中的应力分布状态通常是表面应力处于相对较大的状态，且构件的失效往往是由于表面应力集中产生裂纹，如焊接残余应力等。因此，研究用超声表面波法测试材料的表面应力更具有实际意义。本文主要研究用超声表面波测试铝合金材料的声弹性常数以及受载时的应力分布，为后期用表面波法测试残余应力打下基础。

2 超声表面波的声弹性理论

超声表面波是由Lord Rayleigh首先于1885年提出[1]，并由Lamb推导了在半无限空间下点载荷和线载荷作用下的理论解[2]。Hayes和Rivlin等研究了半无限空间表面波在各向同性材料内沿拉伸方向传播的规律[3]，Hirao等研究了在均匀介质中超声表面波的声弹效应[4]，Duquennoy等人利用超声表面波测试垂直正交材料中的应力分布[5]。Eryi Hu等利用超声表面波测试了Q235钢的表面应力分布，并分析了实验环境温度对结果的影响[6]。Siamak Akhshik等用超声表面波测试了钢管环缝的焊接残余应力，并讨论了提高实验精度的方法[7]。研究结果表明超声表面波测试材料表面应力具有很高的灵敏度。

在弹性、初始各向同性的材料内建立直角坐标系（X，Y，Z），详见图 1。 图中 σ1，σ2分别为 XY 平面内的主应力。由表面波传播特性可知其声压幅度随Z方向厚度增加指数衰减并迅速衰减为零。沿X，Y方向传播的瑞利波所对应的声弹公式[8]可表示为：

其中，VR1，VR2，VR0—沿 X，Y 方向传播瑞利波的声速和初始声速；ΔVR1，ΔVR2—其在应力作用下声速的变化量，K11，K12，K21，K22—沿与材料二阶、三阶弹性常数相关的声弹性常数。由于材料各向同性，因此，K11=K22，K12=K21。 方程可简化为：

在应力测试过程中，K1和K2常通过测试已知应力作用下瑞利波声速的相对变化而得到，详见图2。

图1 材料中的应力分布和瑞利波传播方向

图2 加载方向与瑞利波的传播方向

3 测试试样和检测方法

实验采用喷射沉积法制备的航空用7055型铝合金，具有密度低、强度高和材质均匀等特点，可近似认为具有各向同性。其化学成分详见表1。

表1 7055铝合金化学成分

加工的压缩试样和拉伸试样，其尺寸分别为：100 mm×70 mm×20 mm和 240 mm×70 mm×12.5 mm。实验采用CMT5105电子万能实验机进行加载，根据回振法测试超声表面波在材料中的传播速度。由UVM-2超声回振模块激励频率为2.5 MHz的超声表面波探头产生表面波，由接收探头接收超声信号，通过改变声波传播距离引起传播时间变化测试声速。回振模块的回振次数为10 000次，时间测试分辨率为10～11 s。由于声弹效应是弱效应，应力作用下声速变化不大，为了实现精确测试材料中的传播声速，在要求提高时间测试分辨率的同时，必须考虑表面波在探头内部和耦合剂中的传播时间以及信号在导线中的传播时间。测试装置及方法参照中国专利《一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具及测量装置》（ZL201220583692.3）所公开的内容实施。所用夹具详见图3。图中2个夹具上开有两孔用于穿出探头的线座，夹具底部的侧翼用于固定夹具，两夹具上孔间距不等，以实现改变传播距离的目的。本实验以橡胶带替代磁性吸附装置将夹具固定在试样上，以实现探头与试样之间的弹性接触。

图3 表面波声速测试夹具

4 实验数据与分析

将压缩试样沿σ1方向进行单轴压缩时，测试沿平行和垂直于σ1方向传播的表面波声速随应力变化的情况，详见图4。由图4可知，随着σ1压应力的增大，平行于应力方向传播的表面波声速逐渐增大，而垂直于应力方向传播的表面波声速逐渐减小，二者都近似成线性关系（负表示为压应力，正则表示为拉应力）。

式（5）中的常数项是由材料在制备和加工过程产生的各向异性或残余应力以及实验过程中产生的误差等因素造成的。由公式（5）可得两相互垂直方向上表面波传播声速与7055铝合金试样内的应力关系：

当材料处于平面应力状态时，可以通过测量沿主应力σ1、σ2两相互垂直方向传播表面波声速的变化确定材料所受的主应力。

图4 压应力作用下表面波声速相对变化随应力的变化关系

实验将压缩试样旋转90°沿宽度方向进行加载，测试不同载荷作用下平行于和垂直于应力方向的表面波声速变化，并由公式（6）计算应力。由于所求应力为单轴应力，因此可同时用平行于应力方向和垂直于应力方向的表面波声速进行计算，计算结果详见图5。图中理论值通过所加载荷和截面积计算得到，而实验值是由测得的声速通过公式（6）计算得到，校准值则是用公式（6）进行计算时考虑公式（5）中的常数项校准得到的。由计算结果可知用垂直于应力方向传播的表面波声速变化测试材料表面的应力分布误差较小，而用平行于应力方向传播的表面波声速变化测试应力结果误差较大。计算过程中考虑材料在自由状态下的声各向异性可以减小应力测试误差。

在测试过程中同时对处于拉伸状态下的7055型铝合金进行了测试，实验结果详见图6。由图6可知，随拉应力的增大，平行于应力方向传播的表面波声速随应力增大而减小，垂直于应力方向传播的表面波声速随应力增大而增大，其规律与试样受压时恰恰相反。根据以上实验结果，当需测试应力时首先测量材料在自由状态下的表面波声速，可以根据表面波的传播方向以及声速的变化趋势判断材料所处的拉压应力状态，再利用对应公式计算应力分布，从而提供一种快速准确测试材料表面应力分布的无损方法。

图5 表面波声速测应力

图6 拉应力作用下表面波声速随应力的变化关系

5 结论

本文研究了应用超声表面波的声弹效应测试铝合金材料表面的应力分布。通过回振法测表面波声速随应力变化而引起的微小变化，参照中国专利《一种用于精确测量铁磁性材料表面波声速的夹具及测量装置》设计的方案实现了探头与测试材料之间稳定的弹性接触，并用单轴应力加载法求得材料的声弹性常数，得到表面波声速随应力的变化规律以及应力的计算公式，为材料或构件的质量监测提供了一种快速准确的无损检测方法。