一種無需測厚的晶粒尺寸超聲無損評價方法
2023-05-13 15:31:26 1
一種無需測厚的晶粒尺寸超聲無損評價方法
【專利摘要】本發明公開了一種無需測厚的晶粒尺寸超聲無損評價方法，所述方法通過對參考試塊進行數據採集，並用信號平均技術進行前處理，構造並計算衰減速率係數及平均衰減速率係數，建立不含厚度測量值的晶粒尺寸超聲評價模型，對晶粒尺寸未知的試塊進行晶粒尺寸評價。該方法無需對厚度進行測量，規避了被測對象厚度測量不便和測量不準對後續平均晶粒尺寸的影響，且通過前處理的手段，有效提高了本發明方法的抗幹擾能力，對金相法測得平均晶粒尺寸為87.7μm和103.5μm的兩個測試試塊，評價的結果分別為84.9μm和98.9μm，誤差控制在±5％內。可見，本發明的方法提供了一種不受厚度影響並可有效評價金屬材料晶粒尺寸的手段。
【專利說明】一種無需測厚的晶粒尺寸超聲無損評價方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及晶粒尺寸測量【技術領域】，更具體涉及一種無需測厚的晶粒尺寸超聲無 損評價方法。
【背景技術】
[0002] 晶粒尺寸是影響各種金屬材料機械性能的一個重要微觀結構參數，霍爾-佩奇公 式（Hall-Petch公式）指出通過細化晶粒可以提高金屬材料的力學性能。若奧氏體不鏽鋼 焊接件在服役前，焊接熱影響區晶粒過大，服役後將導致強度不足、耐腐蝕疲勞性能差，易 出現裂紋成核並沿著焊接邊緣傳播，最後造成斷裂事故。可見，在服役前有效檢測關鍵材質 的晶粒尺寸，對其的安全應用有重大意義。通過有損的金相法或電子背散射衍射法可直觀 地測量晶粒尺寸，但需要對材料進行破壞，而且分析程序繁瑣、檢測效率偏低。因此，如何有 效、便捷地評價晶粒尺寸一直是無損評價領域的熱點問題。
[0003] 目前晶粒尺寸無損評價方法按原理可分為超聲法和渦流法，其中超聲法又包含背 散射法、聲速法和衰減法。傳統的背散射方法無需知道被測對象的厚度，但為了避免散射波 與表面回波、底面回波混疊，一般要求被測對象厚度在6_以上，使得背散射法的應用具有 局限性，且只有加入厚度測量值進行修正時，才能保證背散射評價模型有較高的評價精度。 聲速法和衰減法對被測對象的厚度範圍沒有要求，但這兩種方法都需利用到被測對象的厚 度。可見，厚度的測量誤差會直接影響晶粒尺寸評價的精度。在工業流水線上，難以保證每 一個被測對象的厚度完全一致，若要預先對所有被測對象的厚度進行測量，必然使檢測成 本和檢測工時成倍增加，同時在實際應用中普遍存在被測對象壁厚測量不便的情況，進而 降低這兩種方法的實用性。基於該研究現狀，本發明構造了超聲衰減速率，並以其為聲學特 徵量建立了一種不含厚度測量值的晶粒尺寸超聲評價模型。其次，制定了信號的前處理方 法，採用信號平均方法對超聲信號進行去噪，進一步提高評價方法的抗幹擾能力。
【發明內容】
[0004] (一）要解決的技術問題
[0005] 本發明要解決的技術問題是在不測量被測對象厚度的條件下，如何精確、可靠、無 損地測量晶粒尺寸。
[0006] (二）技術方案
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種無需測厚的晶粒尺寸超聲無損評價方 法，所述方法包括以下步驟：
[0008] S1、製備並採集各個參考試塊的S個經過前處理的超聲A波信號，測量每個所述參 考試塊的平均晶粒尺寸；
[0009] S2、構造衰減速率係數，利用步驟S1得到的超聲A波信號的表面一次回波、底面一 次回波和底面二次回波，計算衰減速率係數及平均衰減速率係數，建立不含厚度測量值的 晶粒尺寸超聲評價模型；
[0010] S3、利用所述步驟S2得到的不含厚度測量值的晶粒尺寸超聲評價模型，對晶粒尺 寸未知的測試試塊進行晶粒尺寸無損評價及驗證；
[0011] 優選地，所述步驟S1中，製備參考試塊，採集所述每個參考試塊的超聲A波信號， 用信號平均技術進行前處理，並測量其平均晶粒尺寸。
[0012] 優選地，所述步驟S1具體為：
[0013] S11、將Φ 25mm的棒材用線切割獲得K個高15mm的坯料；用高溫爐分別進行固溶 處理，使各參考試塊的晶粒尺寸按梯度分布，接著對所有參考試塊進行一次去應力退火；對 熱處理後的各參考試塊進行初步的磨樣，去除表面氧化層，完成試塊的製備；
[0014] S12、採用水浸脈衝反射法採集各參考試塊的原始超聲A波信號，首先將第k個參 考試塊（k= 1，2，...，K)置於水槽中，用探頭架夾持超聲縱波探頭連接於六自由度運動平 臺上，通過運動控制卡控制ζ軸運動，從而調整超聲縱波探頭的位置，接近被測參考試塊， 其中為了保證水聲距的一致性，通過結合原始超聲Α波信號波形可實現探頭位置的自動調 整，需設置一個表面一次回波峰值點許可範圍n FW±eFW，和一個閾值TFW，若在超聲縱波探頭 由遠及近接近試塊的過程中，首次有信號值在許可範圍內超過閾值T FW，即表面一次回波的 峰值點落入許可範圍內，則自動停止ζ軸運動；
[0015] S13、超聲縱波探頭位置調整完畢後，為保證超聲縱波探頭聲軸線與參考試塊上表 面嚴格垂直，需要控制運動平臺的A、B軸調整超聲縱波探頭的姿態來對準參考試塊，其中 通過結合原始超聲A波信號波形可實現探頭姿態的自動調整，當表面一次回波幅值最大 時，可認為探頭的聲軸線與試塊被測點位的上表面達到垂直，記錄在A、B軸連續運動中，不 同姿態所得到的表面波反射幅值，最後定位到表面一次回波幅值最強的姿態，完成姿態的 自動調整，姿態的自動調整保證了操作的簡便性和測試的可重複性；
[0016] S14、調整數據採集卡的採樣長度N，使原始超聲A波信號足以呈現表面一次回波、 底面一次回波和底面二次回波；接著對採集到的原始信號用信號平均技術進行濾波，設信 號平均次數為N，則連續採集N組超聲A波信號可依次記為& (η)，Α2 (η)，. . .，ΑΝ (η)，則平均 後的信號
【權利要求】
1. 一種無需測厚的晶粒尺寸超聲無損評價方法，其特徵在於，所述方法包括以下步 驟： 51、 製備並採集各個參考試塊的S個經過前處理的超聲A波信號，測量每個所述參考試 塊的平均晶粒尺寸； 52、 構造衰減速率係數，利用步驟S1得到的超聲A波信號的表面一次回波、底面一次回 波和底面二次回波，計算衰減速率係數及平均衰減速率係數，建立不含厚度測量值的晶粒 尺寸超聲評價模型； 53、 利用所述步驟S2得到的不含厚度測量值的晶粒尺寸超聲評價模型，對晶粒尺寸未 知的測試試塊進行晶粒尺寸無損評價及驗證。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟S1中，製備參考試塊，採集所述 每個參考試塊的超聲A波信號，用信號平均技術進行前處理，並測量其平均晶粒尺寸。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟S1具體為： 511、 將Φ 25mm的棒材用線切割獲得K個高15mm的坯料；用高溫爐分別進行固溶處理， 使各參考試塊的晶粒尺寸按梯度分布，接著對所有參考試塊進行一次去應力退火；對熱處 理後的各參考試塊進行初步的磨樣，去除表面氧化層，完成試塊的製備； 512、 採用水浸脈衝反射法採集各參考試塊的原始超聲A波信號，首先將第k個參考試 塊（k= 1，2，...，K)置於水槽中，用探頭架夾持超聲縱波探頭連接於六自由度運動平臺上， 通過運動控制卡控制ζ軸運動，從而調整超聲縱波探頭的位置，接近被測參考試塊，其中為 了保證水聲距的一致性，通過結合原始超聲Α波信號波形可實現探頭位置的自動調整，需 設置一個表面一次回波峰值點許可範圍n FW±eFW，和一個閾值TFW，若在超聲縱波探頭由遠及 近接近試塊的過程中，首次有信號值在許可範圍內超過閾值T FW，即表面一次回波的峰值點 落入許可範圍內，則自動停止ζ軸運動； 513、 超聲縱波探頭位置調整完畢後，為保證超聲縱波探頭聲軸線與參考試塊上表面嚴 格垂直，需要控制運動平臺的A、B軸調整超聲縱波探頭的姿態來對準參考試塊，其中通過 結合原始超聲A波信號波形可實現探頭姿態的自動調整，當表面一次回波幅值最大時，可 認為探頭的聲軸線與試塊被測點位的上表面達到垂直，記錄在A、B軸連續運動中，不同姿 態所得到的表面波反射幅值，最後定位到表面一次回波幅值最強的姿態，完成姿態的自動 調整，姿態的自動調整保證了操作的簡便性和測試的可重複性； 514、 調整數據採集卡的採樣長度N，使原始超聲A波信號足以呈現表面一次回波、底面 一次回波和底面二次回波；接著對採集到的原始信號用信號平均技術進行濾波，設信號平 均次數為N，則連續採集N組超聲A波信號可依次記為& (η)，Α2 (η)，. . .，ΑΝ (η)，則平均後的
信號 Ο) 隨著Ν的增大，隨機電噪聲幅值的方差以Ν倍下降，Ν -般選擇為40至60次即可有效 的抑制隨機噪聲，提高評價方法的抗幹擾能力；又因為直流分量對聲學特徵量的準確計算 有嚴重的影響，所以選取始發波和表面回波之間的一段電噪聲信號作為參考，記為參考信 號R(n)，通過計算其幅值的均值友來逼近直流分量，並在中減去及以實現直流分量的 消除，至此完成信號的前處理； 515、 最後儲存該點位射頻模式下的經過前處理的超聲A波信號，每個參考試塊採集S 個經過前處理的A波信號，記第k個試塊的第j個（j = 1，2, ...，S)經過前處理的超聲 A波信號為，並對原始超聲A波信號設置雙閘門，手動調整兩個閘門的起始位置和 閘門長度，分別以矩形窗截取其表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波，分別記為
，接著更換下一個試塊，即使k = k+Ι，重複步驟S12、S13、S14、 S15 ； 516、 每個參考試塊任意選取3個檢測面，分別進行切割、鑲嵌、磨樣及拋光，並配置浸 蝕劑，對各檢測面進行浸蝕，用金相顯微系統進行拍照，根據GB/T 6394-2002對各參考試 塊每個檢測面隨機選取5個視場，利用測量網格進行平均晶粒尺寸的截線法測量，得到各 個參考試塊多個截面的平均晶粒尺寸分別記為D k，為晶粒尺寸評價模型的建立作準備。
4. 根據其權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟S2中，構造並計算各個參考模 塊的衰減速率係數及平均衰減速率係數，建立評價模型。
5. 根據其權利要求1至4任一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟S2具體為： 521、 構造如下的超聲衰減速率係數
(2) 式中，α為超聲衰減係數，為超聲縱波聲速，u = α 為所構造的超聲衰減速率， fa為數據採集卡的採樣頻率，nFW是表面一次回波的峰值點位置，nBW1是底面一次回波 孓(《)的峰值點位置，nBW2是底面二次回波只《)的峰值點位置； 所構造的超聲衰減速率只與超聲信號本身相關，不含被測對象的厚度測量值，從量綱 分析可知，ct的量綱為Np/m, 的量綱為m/s,故u的量綱為Np/s,即超聲衰減速率可理 解為超聲波在傳播過程中單位時間內的衰減量，以其為聲學特徵量對平均晶粒尺寸進行評 價，則無需進行測厚； 522、 利用步驟S1得到的第k個參考試塊第j個經過前處理的超聲A波信號的表面一 次回波、底面一次回波和底面二次回波，即^(?)、和，計算第k個參考試塊第 j個經前處理的超聲A波信號中的衰減速率為
(3) 式中是第k個參考試塊第j個信號的衰減速率，<Γ是第k個參考試塊第j個信號 的表面一次回波峰值點位置，_<Γ是第k個參考試塊第j個信號的底面二次回波峰值點位
分別是第k個參考試塊第j個信號的表面一次回 波、底面一次回波和底面二次回波峰值； 523、 計算第k個參考模塊的S個超聲A波信號的平均衰減速率，如式（4)
(4) 524、 對步驟S23得到的平均衰減速率和步驟S1得到的平均晶粒尺寸進行最小二乘法 線性擬合，擬合直線為
(5) 式中，擬合值的單位為μ m，且擬合係數{c^dj的求法為
(6) 解上述的法方程組即可得到擬合係數{屯，dj，式中運算符（，）表示求兩向量內積，具
將式（7)的結果代入式（6)，解得擬合係數{c^dj，此時式（6)即本發明所建立的不含 厚度測量值的晶粒尺寸超聲評價模型。 體為 (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) (7.5) (7.6)
【文檔編號】G01N15/02GK104297110SQ201410478957
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】李雄兵, 宋永鋒, 田紅旗, 高廣軍, 倪培君, 胡宏偉, 司家勇, 劉鋒, 楊嶽, 劉希玲 申請人:中南大學