基于瑞利波偏振極化的電磁超聲殘余應力和應變檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及殘余應力/應變的超聲無損檢測方法，具體涉及一種基于瑞利波偏振極化的電磁超聲殘余應力和應變檢測方法。
【背景技術】
[0002]機械系統中一些重要結構在加工裝配和運行過程中受到過大載荷作用下，容易在結構表面及內部產生殘余應力和應變(甚至塑性變形)等微觀損傷。這些微觀損傷的存在不但會大幅度降低結構的機械性能，還容易在結構中引發應力腐蝕裂紋和疲勞裂紋等宏觀損傷，對機械結構的安全產生極大的隱患。
[0003]目前應用于殘余應力/應變測量方法可以分為有損和無損兩大類。有損測試方法就是指應力釋放法，目前主要是通過鉆孔法(盲孔法)，通過在殘余應力區域鉆孔，使用電阻應變片測量孔周圍釋放的應變來確定殘余應力的大小。該方法可靠性好、技術成熟，但會對工件造成一定的損傷甚至破壞。無損檢測方法目前主要有X射線衍射法、中子衍射法、磁性法和超聲法等。其中X射線衍射法是目前應用最多無損檢測方法，具有檢測精度高、空間分辨率好，并以無接觸的方式測量等優點。但該方法對試件表面粗糙度要求較高，一般檢測前需要對表面進行預處理;此外由于X射線對材料有效穿透深度的限制，只能測量到試樣表面幾微米到幾十微米深度內的殘余應力/應變。中子衍射法相比于X射線法具有較大的穿透深度，但該方法需要龐大且昂貴的中子射線源，限制了其應用范圍。磁性法主要通過測定鐵磁材料在內應力的作用下磁導率發生的變化確定殘余應力/應變的大小，但由于材料磁性參數與應力不存在線性關系，使其對殘余應力的精確定量測量比較困難、且可靠性比較差、空間分辨率較低，目前應用還比較少。
[0004]超聲法是目前除X射線法之外測量殘余應力的最常用無損檢測方法。根據聲彈性理論，超聲波傳播速度的相對變化量和超聲瑞利波的偏振極化相對變化量均與殘余應力的大小存在線性關系。但超聲法目前主用是通過壓電超聲探頭或電磁超聲探頭測量超聲波在被測區域的傳播速度，通過波速的相對變化量來確定應力/應變的大小和方向。其具有操作簡單、可靠性高，既可對工件表面也可對試件內部進行測量等優點。但波速法存在靈敏度低，測得的應力/應變是某一較大區域的平均值、空間分辨率低，無法測量應力集中等缺點。

【發明內容】

[0005]為了解決目前超聲殘余應力/應變檢測方法靈敏度低、空間分辨率差等主要缺點，本發明的目的在于提出一種基于瑞利波偏振極化的電磁超聲殘余應力和應變檢測方法。使用表面波電磁超聲探頭在被測工件表面激發出瑞利波，再通過一對經專門設計的在平面電磁超聲探頭和出平面電磁超聲探頭分別探測被測點處瑞利波在平行于平面和垂直于平面兩方向的時域分量信號，從而得到該處瑞利波的偏振極化，通過瑞利波的偏振極化的相對變化量與初始應力/應變的線性關系確定應力/應變的大小。該方法相對于傳統的超聲測量方法，能夠實現一種更高靈敏度、高空間分辨率的殘余應力/應變非接觸超聲檢測方法。
[0006]為達到以上目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]—種基于瑞利波偏振極化的電磁超聲應力和應變檢測方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:準備具有不同殘余應力/應變的導體試件，首先將表面波電磁超聲探頭2放置在無殘余應力和應變的導體試件I的表面上；
[0009]步驟2:在表面波電磁超聲探頭2的線圈中通入脈沖電流，在永磁鐵的作用下，探頭在待測導體試件表面激發出瑞利波3，瑞利波3在試件表面傳播，使得被測點處的質點進行橢圓運動4;
[0010]步驟3:被測點處質點的橢圓運動4分解成質點在平行于試件表面和垂直于試件表面兩個方向上的振動，將S極和N極水平放置且N極相對的在平面電磁超聲探頭5緊貼試件表面放置在待測位置處，接收瑞利波3在被測點處平行于試件表面方向的質點振動信號；
[0011]步驟4:將通過在平面電磁超聲探頭5接收到的質點振動信號即電壓信號經過處理后輸入到示波器中，得到被測點處質點在平行于試件表面方向的振動信號波形，從而得到該信號的最大幅值；
[0012]步驟5:將S極和N極上下放置且S極和N極相對的出平面電磁超聲探頭6緊貼試件表面放置在步驟3中在平面電磁超聲探頭5放置的位置處，利用和步驟4相同的方法獲得垂直于試件表面方向的質點振動信號的最大幅值；
[0013]步驟6:利用步驟4和步驟5中獲得的被測點處瑞利波3在平行于平面和垂直于平面兩方向的振動信號的最大幅值，求幅值之比，得到無應力/應變試件被測點處瑞利波3的偏振極化Π0;
[0014]步驟7:更換具有不同應力和應變的導體試件，重復步驟1-6，獲得在不同殘余應力和應變條件下的瑞利波偏振極化Π，從而得到瑞利波偏振極化的相對變化量△ Π/Π0 =(Π-Πο)/Πο, Δ Π/Πο與相對應的應力/應變之間存在著線性關系:Δ n/nQ = ko或Δ Π/n0 = ke ；
[0015]步驟8:根據前面步驟中得到的數據做出瑞利波偏振極化的相對變化量與相對應的殘余應力和應變之間的線性關系曲線，得到關于這兩個量的線性關系式;基于這一線性關系式，利用在未知應力和應變狀態的試件表面傳播的瑞利波的偏振極化的相對變化量來計算試件內的殘余應力/應變的大小。
[0016]所述表面波電磁超聲探頭2由回折型線圈和方形永磁鐵構成;其中回折型線圈由線徑為0.1-0.3mm的漆包線繞制，方形永磁鐵的材料為銣鐵硼。
[0017]所述在平面電磁超聲探頭5和出平面電磁超聲探頭6使用相同的矩形線圈，線圈的材料均為漆包線，磁鐵的材料為銣鐵硼，且在兩個探頭中線圈與磁鐵之間的距離要保持一致。
[0018]所述在平面電磁超聲探頭5中兩個相同的磁鐵的相同磁極正對布置在導體試件I表面；出平面電磁超聲探頭6中兩個相同的磁鐵磁極方向相反地布置在導體試件I表面。
[0019]所述表面波電磁超聲探頭2、在平面電磁超聲探頭5以及出平面電磁超聲探頭6均采用鋁合金材料進行封裝，探頭的接口均為BNC接口。
[0020]本發明通過測量瑞利波的偏振極化相對變化量來確定待測試件中殘余應力/應變的大小；和波速法相比，這一方法具有更高的靈敏度和空間分辨率，并且可對某一點的應力/應變進行測量，也可以對應力集中進行測量。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為基于瑞利波偏振極化的電磁超聲應力和應變檢測系統的示意圖。
[0022]圖2為被測點處的在平面、出平面電磁超聲探頭的示意圖。
[0023]圖3為在平行、垂直于試件表面兩方向上質點的振動信號波形。
[0024]圖4為在不同應力條件下瑞利波的偏振極化。
[0025]圖5為瑞利波偏振極化的相對變化量與殘余應力/應變的線性關系示意圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，基于瑞利波偏振極化的電磁超聲應力/應變檢測系統由待檢測導體試件1、能夠激發瑞利波3的表面波電磁超聲探頭2以及用于接收被測點處質點在兩個方向上的振動信號的在平面電磁超聲探頭5和出平面電磁超聲探頭6組成。
[0027]本發明方法的檢測原理為:表面波電磁超聲探頭2能夠在導體試件I表面激發出瑞利波3，而在試件表面傳播的瑞利波3會使試件表面上的質點發生橢圓運動4。如圖2所示，這一運動可以分解為平行于平面和垂直于平面兩方向上的振動，通過一對經專門設計的在平面電磁超聲探頭5和出平面電磁超聲探頭6可以分別探測被測點處質點在這兩個方向