超声波无损测量与评价铝合金内部应力的研究

摘要

铝合金材料具有较小的密度，较高的比强度，低廉的价格和良好的耐蚀性，广泛应用于航空航天，交通运输等领域中。材料内部的残余应力经常产生于材料受到非均匀塑性变形或热处理的过程中。内部残余应力的存在严重影响了航空铝合金结构件的力学性能、尺寸稳定性与使用寿命。所以有必要对其内部应力进行测量与评价。
　　内部残余应力的无损测量多年来一直是人们关注的问题，现有大部分残余应力无损测量方法难以实现对材料内部应力的无损测量，而新兴的短波 X射线衍射法、中子衍射法尚处于起步阶段，其检测效率低，对防护控制和环境要求较高，并且检测成本过高，难以进行工程应用。
　　本文通过对超声波在含有内部应力材料中传播规律的研究，以工程应用为导向，研究了一种新的无损评价内部应力的方法，并利用此技术对7075铝合金预拉伸板、LC4铝合金棒材等典型产品中的内部应力进行了无损测量与评价。利用1MHz与5MHz的临界折射纵波换能器和垂直入射的5MHz偏振横波换能器分别对铝合金预拉伸板以及铝合金棒材的内部应力与超声波的关系进行了研究，并对此方法的应力测量结果与破坏法结果进行对比，试验结果如下：
　　第一，利用临界折射纵波可测量近表面几个毫米范围内沿其传播方向上的应力分量。单轴拉伸时，应力方向与临界折射纵波传播方向的夹角越小，其速度受应力影响越大，而垂直于应力方向传播的临界折射纵波传播时间和速度变化不大，因此可以采用临界折射纵波可以测量含应力的材料中与之传播方向相同的应力分量的大小。
　　第二，利用垂直入射的偏振横波可以无损评价整个传播路径上的平面应力场。在无应力时，平行于挤压方向偏振的横波和垂直于挤压方向偏振的横波的速度差异不大，棒材的各向异性对不同方向偏振横波速度的影响不明显。当施加应力后，平行于应力方向偏振的横波传播时间升高，垂直于应力方向偏振的横波传播时间降低；在剔除材料弹性变形所带来的声传播距离变化的影响后发现，平行于应力方向偏振的横波声速降低，垂直于应力方向偏振的横波声速升高；与偏振方向平行的应力对横波速度的影响大于与偏振方向垂直的应力对声速的影响。另外，根据声的双折射现象可以评估材料内部残余应力的性质和大小。本试验提供了一种无损测量材料内部平面应力场的方法，可以对材料内部应力进行无损评价。
　　第三，超声法应力测量结果与钻孔法测量结果在应力分布趋势上具有较好的一致性，但应力绝对大小的确定还有待于测量精度的提高。利用钻孔法对超声波无损评价研究进行了验证，获得超声法残余应力测量趋势与钻孔法测量给出的应力的趋势很相似，两种方法获得的绝对残余应力值的差异是由于其测量范围不同所造成的。使用钻孔法验证了超声波无损测量应力的准确性，同时说明超声波无损测量应力这一方法是可行和有效的。

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第1章 绪论

1.1选题的背景及意义

1.2超声波无损评价残余应力的基础理论

1.3 本文的研究内容和创新之处

1.4 本章小结

第2章 临界折射纵波与铝合金预拉伸板内部应力的关系研究

2.1 临界折射纵波的激发

2.2 试样制备与临界折射纵波的测量系统

2.3 外界条件对临界折射纵波的影响

2.4 临界折射纵波与预拉伸板内部应力的关系研究

2.5 纵波与预拉伸板内部应力的关系研究

2.6 本章小结

第3章 超声偏振横波与铝合金棒材内部应力的关系研究

3.1 垂直入射的超声偏振横波

3.2 试样制备与偏振横波应力测量系统

3.3 外部条件对超声偏振横波的影响

3.4 超声偏振横波与铝合金棒材内部应力的关系研究

3.5 本章小结

第4章 超声法测量铝合金内部应力的验证

4.1 试验原理

4.2 试验对象与过程

4.3 试验结果

4.4 结果分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

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