殘余應(yīng)力的危害及其超聲波法檢測綜述

殘余應(yīng)力，也稱內(nèi)應(yīng)力，是消除外力或不均勻的溫度場等作用后仍留在物體內(nèi)的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。殘余應(yīng)力是由于金屬內(nèi)部組織，發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的，機(jī)械加工和強化工藝都能引起殘余應(yīng)力。

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按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，殘余應(yīng)力可分為不同的類別，按應(yīng)力產(chǎn)生的原因可將其分為熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、收縮應(yīng)力；按照殘余應(yīng)力影響區(qū)域的不同，可將其分為宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力和點陣畸變等。

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殘余應(yīng)力的影響

殘余應(yīng)力一般是有害的，具有內(nèi)應(yīng)力的工件，是處在一種不穩(wěn)定狀態(tài)之中，其內(nèi)部的組織有強烈地恢復(fù)到?jīng)]有內(nèi)應(yīng)力的穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，因此會對工件屈服強度、疲勞壽命、變形、脆性破壞及耐蝕性等多方面造成影響。如工件在不適當(dāng)?shù)臒崽幚?、焊接或切削加工后，殘余?yīng)力會引起零件發(fā)生翹曲或扭曲變形，甚至開裂，或經(jīng)淬火、磨削后表面會出現(xiàn)裂紋。

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在內(nèi)應(yīng)力作用下，工件的形狀逐漸改變從而喪失其原有精度。殘余應(yīng)力的存在有時不會立即表現(xiàn)為缺陷，而當(dāng)工件在工作中因工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加，使總應(yīng)力超過強度極限時，便會出現(xiàn)裂紋和斷裂。如果把存在內(nèi)應(yīng)力的工件投入使用，則會因其在使用中的變形而破壞整體結(jié)構(gòu)。

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此外，由于工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其處于高能量狀態(tài)，易與氧化介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，造成腐蝕，從而降低了其自身的耐蝕性。不僅如此，殘余應(yīng)力還改變了材料表面受載時的應(yīng)力分布，降低疲勞強度。

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殘余應(yīng)力的檢測

對于殘余應(yīng)力的檢測，有超聲波法、X射線法、掃描電鏡法、磁學(xué)檢測法和盲孔法等方法，每種方法均有其各自的特點。相比較而言，超聲波應(yīng)力檢測法具有諸多方面顯著優(yōu)點，其為無損檢測法，不損傷材料，測量深度大，操作簡便、快捷，可進(jìn)行野外檢測作業(yè)等。

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超聲波應(yīng)力測量法是基于材料的聲彈性理論，即依據(jù)被測對象中超聲波傳播速度與應(yīng)力之間存在的固有關(guān)系，將這種特性轉(zhuǎn)為數(shù)字信號表征的力學(xué)定量檢測手段。隨著超聲波應(yīng)力檢測技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)在石油化工、油氣管道、航空航天、鋼結(jié)構(gòu)和橋梁建筑等工程領(lǐng)域當(dāng)中獲得廣泛應(yīng)用。

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為對超聲檢測法進(jìn)行規(guī)范，目前已有GB/T 32073-2015《無損檢測 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法》、T/CMCA 4007-2019《鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力超聲檢測技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在具體檢測時可按照相關(guān)要求進(jìn)行操作。為對超聲檢測法進(jìn)行規(guī)范，目前已有GB/T 32073-2015《無損檢測 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法》T/CMCA 4007-2019《鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力超聲檢測技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在具體檢測時可按照相關(guān)要求進(jìn)行操作。

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耦合劑的選擇是采用超聲波法時較為關(guān)鍵的一個方面，過程中應(yīng)使用適當(dāng)?shù)鸟詈蟿员ＷC在工作溫度范圍內(nèi)探頭與被檢件表面具有穩(wěn)定可靠的超聲耦合，且不損傷檢測對象表面。需要注意的是，在進(jìn)行校準(zhǔn)和檢測過程中，或者其他相關(guān)環(huán)節(jié)，均應(yīng)使用相同的耦合劑，并保持相同的耦合狀態(tài)。

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檢測過程中應(yīng)使探頭與被檢構(gòu)件表面穩(wěn)固密實結(jié)合，耦合接觸力應(yīng)保持恒定且與校準(zhǔn)過程一致，也可采用手工、磁吸、真空吸盤或彈簧等方法產(chǎn)生壓緊力。還應(yīng)注意獲取受檢工件的溫度，按照相關(guān)規(guī)定對溫度變化帶來的殘余應(yīng)力檢測誤差進(jìn)行補償。

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結(jié)語

殘余應(yīng)力的存在會給工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，除采用科學(xué)的方法加強對殘余應(yīng)力的檢測外，也應(yīng)積極采取相應(yīng)措施，盡量減小或消除殘余應(yīng)力的負(fù)面影響。如：采用合理的設(shè)計方案和工藝結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)厚薄不勻、尖角結(jié)構(gòu)等情況；采用合理的切削條件，以減小切削力和降低切削溫度，減小殘余應(yīng)力。