超音波應力檢測 （Ultrasonic Methods）

應用領域

• 焊接應力

超音波應力測量的早期應用是測量熱軋板和冷軋板的焊接和焊接周圍區域的應力。焊接完成後，如果在焊接區域觀察到傳播時間峰值，則表示材料內存在殘餘應力。

• 各向同性材料中應變和應力主軸線的決定

線性偏振剪切波的超音波雙折射用於此目的。傳播厚度的線性偏振剪切波在板的相對表面處反射，並接收後壁回波。多次來回反射產生後壁回波序列。轉動探頭，即相對於平面的兩個主要方向轉動振動方向，如果偏振方向與主軸重合，在兩個方向一致的情況下，線偏振剪切波保持其偏振。由於衰減效應，振幅減少。在兩個方向不重合的情況下，剪切波以橢圓形振動。

• 測量應力梯度

由於材料特性通常隨深度而變化，因此需要一種評估應力梯度的技術。改變頻率，進而改變波長，就可以評估梯度。然而，該技術執行此操作的能力受到以下事實的限制：它詢問從表面到波長深度的平均值。

• 偵測可逆氫攻擊

在許多化學和石油操作中，存在著嚴重的風險，即小氫原子在晶界之間蠕動，在表面產生應力積聚並引發裂紋，如果未被發現，可能會導致故障。實驗數據表明，LCR 波的速度和頻譜均受到金屬中氫的影響。雖然速度變化非常小，但它們是可以測量的。

優點

1. 超音波應力評估方法是一種非破壞性技術，可以評估表面和體應力狀態。
2. 其特點是高解析度、高穿透力。
3. 它對人體無害，因此其應用不需要受控/安全的空間。
4. 由於 LCR 波在表面下方傳播，因此用於應力測量的 LCR 方法在很大程度上不受製造過程中產生的表面粗糙度的影響。因此，該方法需要相對簡單且容易的表面處理。然而，大的鑿痕和其他主要表面不規則性會對探頭放置和耦合劑厚度產生不利影響。
5. 超音波技術提供快速資料收集、軌跡或時間連續測量的可能性以及每個測量點的低成本。
6. 可以相當容易地在同一位置多次進行測試，從而可以更好地了解使用負載的影響或旨在消除應力的焊後熱處理等工藝的有效性。

限制和缺點

1. 超音波應力測量的準確性和可重複性在很大程度上取決於耦合劑的厚度。
2. 在普通軋製和冷卻過程中發生的材料變化（例如晶粒尺寸和取向）會極大地影響 LCR 應力測量所獲得的行程時間。因此，對於 LCR 技術，確保均勻材料條件的探針放置對可重複性有顯著影響。
3. 波速受溫度變化的影響很大（尤其是在 PMMA 中），因此設定必須處於恆溫環境中，或者必須持續監控溫度並考慮到波速，以保持應力計算值的準確性。
4. 增加對技術人員的教育和經驗的依賴。
5. 許多材料的聲彈性常數尚未確定。
6. 材料各向異性會對觀察到的傳播時間產生嚴重影響，而該技術的​​使用者必須意識到這種情況的發生。

參考資料來源：

https://www.veqter.co.uk/residual-stress-measurement/ultrasound

Residual stress nondestructive testing for pipe component based on ultrasonic method