（c）计算器（用于采集信号） （d）超声波探头 图 2-4 超声波评价应力实验系统

2。2。3 WZS-20 型双室真空烧结炉

实验所用真空热处理设备：WZS-20 型双室真空烧结炉兼有油冷和气冷功能，双 室卧式，适用于齿轮、油泵等工件的真空渗碳淬火和真空碳氮共渗处理，以及高速 钢、高合金钢工模具、精密轴承等精密机器与零件的油淬、气淬、退火、钎焊、烧 结等多种真空热处理工艺，如图 2-5 所示。

2。2。4 材料金相显微镜

图 2-5 WZS-20 型双室真空烧结炉

ICCS 光学系统金相显微镜系统将传统的光学显微镜与计算机（数码相机）通过 光电转换有机的结合在一起，不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机（数码相 机）显示屏幕上观察实时动态图像，电脑型金相显微镜并能将所需要的图片进行编 辑、保存和打印，如图 2-6 所示。

图 2-6 材料金相显微镜

2。2。5 JSM-6480 型扫描电子显微镜

JSM-6480 型扫描电子显微镜具有以下特点：（1）SuperATW 超薄窗口，10mm2 活区；（2）在 MnKα 处的分辨率优于 133eV；（3）自动液氮水平监视器以及报警 系统；（4）分析元素范围：Be4-U92；（5）专利的探测器自动优化装置，除污染技 术确保轻元素性能长期优良，如图 2-7 所示。

图 2-7 扫描电子显微镜

第三章 实验结果与分析

在此章节中，分别选取经过 950℃，保温 45 分钟的 45 钢和 Q235 钢，由于其晶 粒尺寸基本相同，通过分析超声波信号，可以得出碳含量对于应力评价的影响。

3。1 超声波声弹性理论

超声波声弹性现象是指超声波波速随着应力状态的改变而改变的现象。这种现 象在材料的弹性范围内和非弹性范围内都是存在的。超声波声弹性现象的存在为超 声波测量应力技术提供了理论依据。通过超声波声弹性现象提出的材料应力测量方 法称为超声波声弹法。

超声波声弹法是一种新的测量材料应力的方法。在实验应力分折中，人们广泛 采用光弹法分析材料的应力。如今，超声波声弹法作为一种与光弹法相类似的方法 正在被人们认识和重视，因此很有必要对其进行理论探讨及实际测量技术研究。超 声波声弹法不仅能够像光弹法那样测量透明材料的表面应力。而且能测量不透明材 料的表面应力以及残余应力。超声波声弹法也可以测量实际构件或结构，因此很有 发展前途。随着生活中出现的复合材料越来越多，超声波声弹法被越来越多的人接 收与使用，因此其测量理论和技术的研究也具有一定的实用意义，所以超声波声弹 法理论以及超声波应力测量技术发展的十分迅速。

对于材料内部的应力与应变之间的关系，人们通常认为是线性关系。然而随着 应力测量技术的快速发展，人们发现材料弹性常数并不是不会发生变化的，而是会 跟随应变的大小变化而发生细微的变化。当材料受到压应力作用时，实验表明材料 的弹性模量变大了，而当材料受到拉应力作用时，实验表明材料的弹性模量变小 了，这一情况说明了应力和应变之间的关系是非线性的。超声波在一块具有应力作 用的材料内传播时，其应力和应变会对超声波波速产生影响，波速将会随着材料的 弹性常数的变化而变化。实验表明，超声波的传播无论在材料的弹性范围内还是非 线性范围内，其波速的变化与应力的大小呈线性关系。

很多研究人员已经推导出了各种不同类型小振幅波由于应力存在所引起的波速 变化的公式。现讨论下有关波速变化的公式，其中波速变化是由于在各向同性介质 中存在单轴压力或静压力引起的。超声波传播方向与应力方向平行：