金属构件加工制造及服役过程中,因热膨胀和塑性变形分布不均匀,残余应力是难以避免的。残余应力对机械构件的疲劳强度、尺寸稳定性、抗腐蚀性能等产生重要影响,及时准确检测出残余应力,对保证构件的结构强度及工作可靠性,保障重要金属构件服役安全具有重要意义。非线性超声检测技术是一种通过高次谐波信号对材料损伤进行评估的方法。与线性超声相比,非线性超声对结构内部的微小缺陷和微结构变化更加敏感。本文采取仿真与实验研究相结合,研究了残余应力对材料非线性的影响。论文的主要工作如下:以弹性声学理论为基础,研究了非线性响应的产生原理。在固体介质的非线性应力-应变关系上,使用摄动法求出一维纵波非线性波动方程的解。以此为基础,研究了更为一般的二维非线性表面波在固体介质中的波动特性,并求解基波和二次谐波的数值解析式,并由此定义了表面波相对非线性系数,为研究基于非线性超声表面波的残余应力检测奠定基础。根据非线性超声理论,建立了非线性表面波在固体介质中传播的有限元模型。为研究超声激励频率对非线性超声响应的影响,对不同超声激励频率下非线性表面波的传播进行了仿真。研究表明超声激励频率越大,表面波的渗透深度越浅,能量越集中于表面上,所测得的非线性声学系数越大,但是其衰减速度也越快,有效检测距离越短。研究了残余应力对材料非线性的影响,以喷丸处理形成的残余应力为研究对象,通过在试件表层添加内部应力的形式来仿真模拟喷丸形成的残余应力分布。通过对具有不同残余应力试件的非线性表面波模型的仿真,研究使用非线性超声系数来表征残余应力。仿真结果表明,非线性超声系数随着残余应力的增加而增加。同时,根据LCR波对应力的检测仿真,对比研究了不同残余应力试件声速变化,表明声速对残余应力变化的敏感度远小于非线性超声系数对残余应力变化的敏感度。最后,选择不同喷丸强度处理后的7075铝合金试件作为实验对象,对残余应力非线性超声检测开展验证。实验中考虑了耦合剂对非线性系数检测的影响,并对实验系统非线性稳定性进行了验证。通过非线性超声检测系统对不同残余应力大小的铝合金试件的非线性超声系数进行检测,研究残余应力对非线性声学系数的影响。实验结果表明,残余应力越大的试件,测量得到的非线性超声系数越大,与仿真结果趋势一致,表明了非线性超声在金属构件残余应力检测中具有应用可行性。