T/CSAA 32-2024 激光超声应力检测方法 金属材料

ICS 49.025.01
CCS V10/19
团体标准
T/CSAA 32—2024
激光超声应力检测方法金属材料
Test method for measuring residual stress usinglaser ultrasonic — Metallic material
2024-9-26 发布2024-12-1 实施
中国航空学会发布

中国航空学会（英文简称CSAA）是具备开展国内、国际标准化活动资质的全国性社会团体。
制定中国航空学会团体标准，以满足企业、市场需求和社会发展需要，推动航空技术创新和航空应
用新模式，是中国航空学会标准化工作内容之一。中国境内的团体和个人，均可提出制、修订中国
航空学会团体标准的建议并参与有关工作。
中国航空学会团体标准按《中国航空学会团体标准管理办法》进行制定和管理。
中国航空学会团体标准草案经向社会公开征求意见、专家评审、公开公示等流程，方可由中国
航空学会予以发布。
在本文件实施过程中，如发现需要修改或补充之处，请将意见和有关资料寄给中国航空学会团
体标准推进工作委员会。
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复制、传播该标准或用于其他商业目的。
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II
目录
前言........................................................................................................................................................ III
引言........................................................................................................................................................IV
1 范围.............................................................................................................................................................. 1
2 规范性引用文件..........................................................................................................................................1
3 术语和定义.................................................................................................................................................. 1
4 检测方法和原理..........................................................................................................................................1
5 一般要求...................................................................................................................................................... 3
5.1 检测人员...........................................................................................................................................3
5.2 检测环境...........................................................................................................................................3
5.3 设备与仪器.......................................................................................................................................3
5.4 试样...................................................................................................................................................4
6 检测程序...................................................................................................................................................... 5
6.1 检测流程...........................................................................................................................................5
6.2 检测方案确定...................................................................................................................................5
6.3 检测条件和参数选择........................................................................................................................5
6.4 试样和环境确认...............................................................................................................................6
6.5 设备准备...........................................................................................................................................6
6.6 参数设置...........................................................................................................................................6
6.7 应力检测...........................................................................................................................................7
7 检测报告...................................................................................................................................................... 7
附录A （资料性） 激光超声应力检测的激光光源和调制................................................................8
附录B （规范性） 参考声速测定........................................................................................................9
附录C （规范性） 声弹性系数标定..................................................................................................10
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III
前言
本文件附录A 为资料性附录，附录B、附录C 为规范性附录。
本文件依据T/CAS 1.1—2017《团体标准的结构和编写指南》的有关要求编写。
本文件由中国航空学会提出并归口。
本文件起草单位：北京翔博科技股份有限公司、中国航发沈阳发动机研究所、中国船舶集团有
限公司第七一九研究所、沈阳航空航天大学、北京石油化工学院。
本文件起草人：张勇、钱宏斌、耿长建、陈晓龙、刘国仓、虞班海、魏建辉、马宁、张洪伟。
考虑到本文件中的某些条款可能涉及专利，中国航空学会不负责对任何该类专利的鉴别。
本文件首次制定。
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IV
引言
激光超声应力检测方法是运用声弹性原理，利用激光在物体上激发超声波并检测超声波的传播
速度，实现应力的检测。激光在物体上可同时激发出多种模式的超声波，如横波、纵波、表面波等，
不同模式超声波具有不同的传播特点，表面波通常用来检测沿物体表面方向的残余应力。
使用表面波通常能够检测物体表面以下毫米级深度的平均残余应力，通过调制激光还能够激发
获得不同频率的窄带表面波，从而实现不同深度的应力检测。目前已有相关设备经验证能够实现1mm
至4mm 等多个深度的残余应力检测。
激光超声应力检测一般将激光的能量控制在试样材料的损伤阈值范围内，即产生热弹效应，因
此能够无损地进行应力检测。特殊情况下，可适当提高激光能量到产生轻微热蚀，如此可获得信噪
比更高的超声信号，从而提高应力检测的精度。
激光超声应力检测能够无损地实现零件内部残余应力检测，使用光学干涉等信号采集技术还可
以进行非接触、远距离的残余应力检测，能够对在役和约束状态下的零件进行残余应力检测，同时
还适用于高温、有毒等恶劣环境。
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1
激光超声应力检测方法金属材料
1 范围
本文件规定了激光超声应力检测的方法和原理、人员、环境、设备与仪器、试样、检测程序、
检测报告等方面要求。
本文件适用于钛合金、铝合金、高温合金、钢等透声性金属材料的应力检测。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用
文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)
适用于本文件。
GB/T 228.1 金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法
GB/T 228.2 金属材料拉伸试验第2 部分：高温试验方法
GB/T 7247.1 激光产品的安全第1 部分：设备分类、要求
GB/T 7704 无损检测X 射线应力测定方法
GB/T 12604.1 无损检测术语超声检测
GB/T 15313 激光术语
GB/T 32073 无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法
3 术语和定义
GB/T 7704、GB/T 12604.1、GB/T 15313 界定的术语和定义适用于本文件。
4 检测方法和原理
基于声弹性理论，超声波在均匀变形的固体介质中传播的速度会发生变化，有如下关系：
�−�0
�0
= �� ……………………………………………（1）
式中：
�0——材料在无应力状态时超声波传播速度，单位为米每秒（m/s）；
�——材料在有应力状态下的超声波传播速度，单位为米每秒（m/s）；
�——材料中沿超声波传播方向的声弹性系数；
�——被测试样的残余应力，单位为兆帕（MPa）。
表面波声弹性系数K 由材料的二阶和三阶弹性常数决定，一般表达为式（2），也可以通过单
向加载应力下的两个方向声速标定实验测量得到。
� = �+4� 8�2 ………………………………………（2）
式中：
�——材料的二阶弹性常数；
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2
�——材料的三阶弹性常数。
式（1）变形可得：
� = 1
��0
� − �0 …………………………………………（3）
引入任意已知应力的参考试样，根据式（3）可得到如下关系式：
� − �?� = 1
��0
� − �?� ……………………………………（4）
式中：
�?�——参考试样的残余应力,单位为兆帕（MPa）；
�?�——表面波在参考试样中的传播速度，单位为米每秒（m/s）。
运用激光与材料作用的热弹效应，采用脉冲激光在被测试样上激发超声表面波，再在离激发点
一定距离的位置进行超声波信号采集(如图1 所示)，通过测定超声波在预定检测范围内的传播速度�，
即可根据声弹性原理按照式（3）或式（4）计算出该检测范围内的平均应力�。
图1 激光超声应力检测示意图
图中：
�——超声表面波作用的深度，即激光超声应力检测的深度，单位为米（m）；
L——激光超声应力检测的长度范围，单位为米（m）；
W——激光超声应力检测的宽度，单位为米（m）。
采用本文件方法所测得的应力值是被检测试样表层下三维空间内沿声波传播方向的残余应力平
均值。在试样负载的情况下，测得的应力值是其残余应力与载荷应力的代数和。
一般认为，表面波作用于物体的深度大约为波长的2 倍，激光超声应力检测的深度�可采用下式
计算：
� ≈ 2� = 2 � � …………………………………………（5）
式中：
�——超声表面波的波长，单位为米（m）；
�——超声波的频率，单位为赫兹（Hz）；
利用激光调制方法（见附录A）可以在物体表面激发获得不同频率的超声表面波，从而实现不
同深度的应力检测。
检测区间可为超声波激发点和采集点之间的区域L（方式A），也可在检测时将激发点或者采
集点沿超声波传播方向作小范围移动，此时检测区间为两个激发点间（方式B）或者两个采集点间
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（方式C）的ΔL 区域，如图2 所示。
图2 不同激发采集点设置方式下检测区域示意图
根据不同的激发采集方式，超声表面波在被测试样中的传播速度�由下式计算获得：
� = � � 或� = Δ� Δ� ……………………………………（6）
式中：
� ——超声表面波从激发点到采集点传播的时间（方式A），单位为秒（s）；
��——超声表面波从两个不同激发点到同一采集点传播的时间差（方式B），或者从同一激发
点到两个不同采集点传播的时间差（方式C），单位为秒（s）。
5 一般要求
5.1 检测人员
检测人员应了解检测的原理，了解激光的防护要求，熟悉检测流程，并能熟练操作检测仪器。
5.2 检测环境
检测环境应满足如下要求：
a) 检测时设备所处的温湿度环境应满足设备使用要求，对高温环境下的试样进行检测时注意
做好隔热措施，保证检测设备处在适宜的温度环境下；
b) 检测时应记录试样的温度，必要时应对材料参数进行修正后再计算应力结果（见6.6.2）；
c) 电源电压的波动宜小于额定电压的10%；
d) 检测现场应尽量避免各类噪声、振动和电磁辐射等对检测结果的影响；
e) 检测场所应安装防激光光束辐射装置，进行现场检测时应注意激光的防护。
5.3 设备与仪器
5.3.1 设备构成
设备主要由控制和分析单元、激发单元、采集单元等部分组成，如图3 所示。
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图3 激光超声应力检测设备的构成
控制和分析单元是实现设备各组成部分的运行控制以及数据分析处理和计算的单元，一般包括
计算机、软件和机械运行机构；激发单元是通过产生特定模式激光脉冲以在试样上激发获取超声波
的单元，一般包括激光源、激光调制装置和光路系统等；采集单元是设备用于探测和采集超声波信
号的单元，为应力计算提供数据来源，包括各种类型的超声波传感器或探测仪器，以及相应的信号
调制分析组件。
5.3.2 基本要求
激光超声应力检测设备应满足以下基本要求：
a) 设备应具备激光控制和超声表面波激发功能，激光器应满足GB/T 7247.1 的要求；
b) 设备应具备超声波探测采集功能，可使用接触式（如超声换能器等）或非接触式（如激光
干涉仪等）技术和装置；
c) 设备宜具有滤波和接收增益控制功能；
d) 设备应具备残余应力计算功能；
e) 设备宜具备检测深度调节功能，最大检测深度≥4mm；
f) 检测区域最小距离≤10mm；
g) 检测区域距离的控制或测量精度≤0.01mm；
h) 具备应力扫描测量功能，能够实现试样应力面分布的测量。
5.3.3 设备校准
设备在使用前应参照设备的使用说明书或作业指导书进行校准。
校准采用已知应力的钢合金应力参考试样进行，其应力值计为�?�，对长度为20mm 的检测区
域，连续测试不少于5 次，所得应力平均值应在�?�±20 MPa 以内，其标准差宜不大于10MPa；如
果标准差超过20 MPa，则应调整仪器或检测参数。
参考试样应满足计量溯源性要求，优先使用有证标准物（CRM），也可使用实验室间认可的应
力参考试样（ILQ）。
5.4 试样
被测试样一般应满足如下要求：
a) 试样表面应无氧化层、碳化层、油污、油漆等附着物；
b) 试样检测区域范围内表面粗糙度Ra 宜不大于10μm。
c) 试样检测区域的厚度应大于1mm，试样应力检测方向的平面长度应大于5mm，宽度应大
于2mm。
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6 检测程序
6.1 检测流程
激光超声应力检测主要包括以下步骤：试样准备（见第5.4 条）、检测方案确定（见第6.2 条）、
检测条件和参数选择（见第6.3 条）、试样和环境确认（见第6.4 条）、设备准备（见第6.5 条）、
参数设置（见第6.6 条）、应力检测（见第6.7 条）、报告（见第7 章）。
检测流程如图4 所示。
图4 检测流程图
6.2 检测方案确定
了解试样待检测部位的曲率和厚度，根据检测需求，确定检测区域的位置和大小、检测的深度、
检测的应力方向等具体检测方案。
检测区域的长度通常设置不小于10mm。
6.3 检测条件和参数选择
6.3.1 超声波激发采集方案
根据检测区域的大小和应力检测的方向，制定合适的超声波激发采集方案。激发端至采集端的
方向即为应力检测方向。
[6.7] 应力检测
[7] 报告
[5.4] 试样
开始
结束
[6.2] 检测方案确定
[6.6] 参数设置
[6.4] 试样和环境确认
[6.5] 设备准备
[6.3] 检测条件和参数
选择
[附录B] 参数声速测定
[附录C] 声弹性系数标定
[6.3.1] 超声波激发采集方案
[6.3.2] 检测深度
[6.3.3] 激光光源
[6.3.4] 激光能量
[6.3.5] 激光重复频率
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当被测试样的检测区域周围有较大平坦空间时（例如边长超过20mm），宜采用方式B 或方式
C 的激发采集方式（见图2），否则应采用方式A 的激发采集方式。
6.3.2 检测深度
应力检测深度应小于试样检测区域的最小厚度，建议检测深度不大于试样最小厚度的0.8 倍。
检测深度通过激光调制获得对应的超声波频率来控制。
6.3.3 激光光源
激光光源优先使用阵列线光源，以便进行调制获得合适的应力检测深度。
6.3.4 激光能量
激光能量的选择应使脉冲激光能够在被测试样上激发足够强度的超声波，同时不应使试样表面
发生烧蚀。
特殊情况下，可适当提高激光的能量使试样表面产生轻微热蚀，如此可获得信噪比更高的超声
信号，从而提高应力检测的精度。
6.3.5 激光重复频率
激发端激光重复频率由应激光器激发频率和采集端采集能力综合决定，一般尽量使用较高的频
率。
6.4 试样和环境确认
确认试样的表面粗糙度Ra≤10μm。
记录试样的曲率、检测时所处的环境温度。
6.5 设备准备
6.5.1 按照使用说明书，将激光超声应力检测设备调整到正常状态。
6.5.2 按照5.3.3 的要求对设备进行标定。
6.5.3 当使用激光干涉仪采集超声波回波信号时，应使干涉仪尽量垂直于采集点所在平面，干涉仪与
试样测点法线的夹角宜不大于5°；当使用超声换能器检测超声波回波信号时，应在探头和试样间
添加耦合剂，以保证探头和试样之间紧密耦合。
6.5.4 设备使用超声换能器检测超声波时，参考声速测定、声弹性系数标定以及应力检测过程中应使
用相同的耦合剂，并保持相同的耦合状态。
6.6 参数设置
6.6.1 检测条件和参数设置
根据6.3 确定的检测条件和参数，调整设备激发单元和采集单元的各项设置。
设置采集端带宽、增益和滤波范围等参数。
6.6.2 材料参数设置
根据被测试样的材料和检测环境温度，设置参考声速�?�、参考应力�?�、声弹性系数�（或者
系数1
��0
）等各项材料参数。
材料参数优先采用根据附录B、附录C 的方法，使用与被测试样相同材料牌号、金相组织状态
和表面粗糙度试样测定所得的数据，其次可使用相近材料牌号及组织状态的试验数据，再者可使用
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材料手册提供的参考值，或由相关物理参数计算的理论值。
超声表面波声弹性系数主要由材料的二阶和三阶弹性常数决定，理论计算见式（2）。
超声表面波传播速度��可通过下式计算：
�� = 0.87+1.12�
1+�
�
� ∙ 1
2(1+�)
…………………………………（7）
式中：
�——材料的弹性模量；
�——材料的泊松比；
�——材料的密度。
如已知试样在常温下的参考声速�?�、参考应力�?�、声弹性系数�（或者系数1
��0
）试验测定值，
可根据其理论计算公式，分别计算出常温和特定温度下的理论值，将常温下的试验测定值进行修正
获得特定温度下的参数值。
6.7 应力检测
6.7.1 将设备的激发单元和采集单元对准待测试样的检测区域。
6.7.2 启动检测程序，进行超声波信号的采集，根据检测模式需要进行第二激发点或者采集点的检测
和采集。
6.7.3 根据式（3）或式（4）计算出被测试样的残余应力值。
6.7.4 按6.7.1 至6.7.3 的步骤进行下一区域的应力检测，直至所有的检测完成。
7 检测报告
检测报告宜包括如下内容：
a) 试样的名称、编号、材质、表面粗糙度、厚度、曲率等；
b) 检测区域的位置、距离、宽度；
c) 检测的应力方向；
d) 超声表面波的频率（或检测深度）；
e) 残余应力值；
f) 检测时的环境温度；
g) 检测操作者、审核者、批准者姓名，来样日期、报告日期。
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附录A
（资料性）
激光超声应力检测的激光光源和调制
激光超声应力检测可使用多种形式的光源，主要有点光源、线光源和阵列光源。
1）点光源
激光点光源易于获取、控制简单、使用灵活。
通过对点激光进行时间调制，即调制激光的波形，能够激发获得不同频率的超声表面波。
2）线光源
激光线源激发获得的超声波信号的强度及探测的信噪比更高，且所激发出的表面波具有平行于
线源的平面波前，指向性好，信号的振幅不会随接收距离的增大而衰减，在应用中可以有效地扩大
光源与探测点的距离。
通过对线激光进行时间调制，即调制激光的波形，能够激发获得不同频率的超声表面波。
3）阵列光源
阵列光源是通过对激发激光进行时间和空间上的调制，使得产生的声波在需要的位置得到聚焦，
同时使超声信号的带宽减小，系统的信噪比增强。
基于这一原理建立的阵列光源激光超声系统有多种形式，如采用多个激光输出窗口、通过光纤
阵列、利用光学元件对激发激光多次反射进行延时等。此外，通过表面掩膜、透镜阵列、光纤阵列
或者全息光栅的空间调制方法，也可以实现激发光源的周期调制，在物体上激发获得窄带超声波。
对于阵列光源，通过调节线源的宽度和间距，可以调节激发出的超声信号的频率。
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附录B
（规范性）
参考声速测定
使用与被测试样相同材料牌号、金相组织状态和表面粗糙度的参考试样进行参考声速�?�的测定。
参考试样宜为平板结构，如图B.1 所示，其有效区域长度L≥40mm、宽度b≥15mm、厚度a≥
4mm。参考试样也可采用附录C 中图C.1 和表C.1 所示结构尺寸。
参考试样可为零应力试样（可按GB/T 32073 标准6.4 规定的方法制备），也可是其他已知应力
的试样，参考应力值为�?�。
图B.1 参考试样
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附录C
（规范性）
声弹性系数标定
声弹性系数标定应使用与被测试样相同材料牌号、金相组织状态和表面粗糙度的材料制成拉伸
试样，试样的尺寸见图C.1，尺寸范围见表C.1，按GB/T 228.1、GB/T 228.2 规定的方法进行室温或
者高温拉伸试验。
图C.1 拉伸试样
表C.1 拉伸试样的尺寸范围单位为毫米
厚度
a
小宽度
b
平行长度
Lc
过渡半径
r
大宽度
W
h1 h
4~10 15~25 60~240 ≥20 30~60 ≥15 40~60
记录试验环境温度，在材料的弹性范围内设置不少于6 个加载应力水平，最大加载应力水平与
拉伸试样残余应力的代数和应超过材料弹性极限的85%，记录检测仪器测得的声速值和拉伸试验设
备输出的拉应力变化。重复拉伸次数不少于5 次，取平均值，绘制出声速与拉伸加载应力的关系图，
如图C.2 所示。
图C.2 声速与拉伸加载应力值的线性关系（示例）
采用最小二乘法对实验数据进行拟合求出声速与拉伸加载应力的线性关系式� = �Δ� + �，结合
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式（3），声速与拉伸加载应力拟合斜率�的倒数即为1
��0
，即：
1
� = 1
��0
…………………………………………（C.1）
声弹性系数�可采用下式计算：
� = � �0 …………………………………………（C.2）
声弹性系数标定应至少使用3 件拉伸试样进行试验，斜率取多次试验的平均值。
1
��0
通常称作激光超声应力检测的应力常数（关于声速），也可直接使用。