随着社会工业化程度的不断提高,各种机械设备在各行各业中应用越来越普及。伴随着这些机械装置的使用,其内部各种构件的安全隐患也逐渐的显露出来,比如,天然气输送管线的泄漏、发动机叶片的疲劳损伤、军车传动轴的断裂等。这对国家财产和人民生活造成巨大的危害,因此研究对国家重大基础设施及国防装备中关键构件无损检测技术和方法具有重要的社会和经济价值。导致机械结构、机械装备关键构件出现结构失效、断裂等众多因素中,残余应力是一个非常重要的影响因素。对残余应力进行准确测量及表征技术的研究是十分必要的。残余应力的测量技术不仅具有重要的理论研究价值,而且对生产工艺的完善、设备的安全系数具有重大的意义。残余应力超声检测技术是一种新兴发展的无损检测技术,近年来得到国内外专家学者的广泛关注,而且取得了快速的发展。然而,目前残余应力超声检测技术的研究与应用主要针对平面残余应力,对于在深度方向上不同层深残余应力超声检测方法的研究相对较少。因此,针对不同层深残余应力超声检测的研究工作对于实现残余应力深度方向的分布检测具有重要的现实意义和工程应用价值。本文深入开展了对金属材料不同层深残余应力超声检测方法的研究,较为详细的分析了超声波在弹性固体中传播的基本原理,在声弹性理论的基础上研究了超声波检测残余应力的基本原理和金属材料不同层深残余应力超声检测原理。在此基础上建立了不同频率临界折射纵波在金属材料内传播的理论模型,依据有限元分析的思想建立了相应的二维有限元模型。研究了不同频率临界折射纵波在金属材料中的传播特性,分析了不同频率临界折射纵波在金属材料中的渗透深度。最后根据不同频率临界折射纵波的渗透深度建立不同层深残余应力超声检测模型和方法。本文基于对不同层深残余应力超声检测方法的研究,搭建了不同层深残余应力超声检测系统,并且采用互相关运算和插值运算,从而实现了对超声波信号的分析和处理,提高残余应力检测的精度。基于上述理论分析研究,完成了对不同频率临界折射纵波的渗透深度及传播特性的实验验证以及金属材料不同层深残余应力的检测实验验证,同时,开展了残余应力超声检测技术在工程实际中的应用。