本發(fā)明涉及金屬平均晶粒尺寸測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種剔除曲面擴散影響的金屬晶粒尺寸超聲衰減評價方法。

背景技術(shù)：

晶粒尺寸是表征金屬材料微觀特性的一個重要參數(shù)，如細晶強化是提高多晶鑄件強度、塑性及韌性的有效手段，而增大晶粒尺寸則可使晶界能降低，提高金屬的耐腐蝕性能。因此，在金屬構(gòu)件的生產(chǎn)和服役過程中，嚴格控制晶粒尺寸是保障金屬材料強度、韌性、耐候性等機械性能的關(guān)鍵之一，而有效檢測晶粒尺寸又是其的前提和基礎(chǔ)。獲取金屬材料晶粒尺寸的方法可分為有損和無損兩種，有損法如金相法具有結(jié)果直觀和檢測精度高等優(yōu)點，但需對材料進行破壞，且分析程序繁瑣、檢測效率低，因此研究出一種能準(zhǔn)確檢測材料晶粒尺寸的無損方法具有十分重要的意義。超聲無損評價方法具有穿透能力強、靈敏度高、對人體無害等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外對材料進行微觀結(jié)構(gòu)檢測所普遍采用的無損方法。

由于多晶金屬材料的粘滯、阻尼及晶界散射效應(yīng)等的作用，超聲波強度及波譜成分都會發(fā)生改變，其中晶粒尺寸很大程度上決定了聲能的散射衰減，因此可通過測定超聲散射衰減系數(shù)間接評價材料的晶粒尺寸。然而在對曲面工件的實際測量中，聲能的衰減與波譜成分的變化還包含了較大程度的擴散損失，即超聲傳播過程中因聲束發(fā)散、曲面界面反射與折射，導(dǎo)致有限孔徑的探頭僅能接收到部分回波信號，因此有必要進行聲能的擴散補償以減少因衍射帶來的聲能衰減?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀，本發(fā)明結(jié)合高斯聲束理論，建立了一種可剔除工件曲面曲率及水聲距設(shè)置對超聲衰減總量的影響，減小系統(tǒng)誤差，提高衰減法評價曲面工件晶粒尺寸的精度的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在檢測曲面工件時，如何精確、可靠、無損測量其晶粒尺寸。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種剔除曲面擴散影響的金屬晶粒尺寸超聲衰減評價方法，所述方法包括以下步驟：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種剔除曲面擴散影響的金屬晶粒尺寸超聲衰減評價方法，所述方法包括以下步驟：

S1、通過不同熱處理制備形狀相同但具有不同平均晶粒尺寸的平面標(biāo)定試塊，通過相同條件熱處理制備形狀不同但具有相同平均晶粒尺寸的曲面測試試塊，采集標(biāo)定及曲面試塊的超聲回波信號，利用一次及二次底波信號提取各個試塊的超聲總衰減譜，使用金相法測定并記錄各標(biāo)定試塊及測試試塊的晶粒尺寸。

S2、運用多元高斯聲束理論建立不考慮散射衰減的擴散衰減計算模型，利用所建立擴散衰減計算模型計算所述步驟S1得到的各標(biāo)定試塊及測試試塊的擴散衰減譜。

S3、在所述步驟S1得到的超聲總衰減譜中剔除所述步驟S2得到的擴散衰減譜分量，得到所述步驟S1得到的各標(biāo)定試塊及測試試塊的真實散射衰減譜，結(jié)合所述步驟S1得到的標(biāo)定試塊的金相法晶粒尺寸，計算各個頻率的晶粒尺寸評價函數(shù)。

S4、利用所述步驟S3得到的各個頻率的晶粒尺寸評價函數(shù)，建立晶粒尺寸多頻加權(quán)評價模型。

S5、利用所述步驟S4得到的晶粒尺寸多頻加權(quán)評價模型，對各個曲面測試試塊進行晶粒尺寸評價。

2、優(yōu)選地，所述步驟S2具體為：

S21、運用高斯聲束模型求解探頭接收到的一次底波BW1及二次底波BW2的質(zhì)點振動速度v_BW1(f)和v_BW2(f)，求解過程中需要考慮以下影響因素：聲束在水-被測試塊界面、試塊-水界面的透射系數(shù)T₁₂和T₂₁，在工件-水界面的反射系數(shù)R₂₁，探頭到被測試塊表面的距離W，被測試塊厚度h和被測試塊上下曲面曲率半徑的r₁、r₂。

S22、利用所述步驟S21得到的一次底波BW1及二次底波BW2的質(zhì)點振動速度v_BW1(f)和v_BW2(f)，對探頭晶片各點處的聲壓進行面積分，則探頭接收的一次底波BW1和二次底波BW2聲束平均聲壓分別為

式中，ρ為水的密度，為超聲波在水中傳播速度，S為接收探頭的晶片有效面積，為探頭接收的一次底波BW1聲束平均聲壓，探頭接收的二次底波BW2聲束平均聲壓。

S23、運用所述步驟S22得到的探頭接收的一次底波BW1和二次底波BW2聲束平均聲壓和求出被測試塊一次底波BW1對二次底波BW2的擴散衰減譜為

式中，s(f)為檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)，t_BW1(f)為一次底波BW1的聲彈性傳遞函數(shù)，t_BW2(f)為二次底波BW2的聲彈性傳遞函數(shù)，α_diff(f)為試塊一次底波BW1對二次底波BW2的擴散衰減譜。

3、優(yōu)選地，所述步驟S3具體為：

S31、利用所述步驟S23得到的一次底波BW1對二次底波BW2的擴散衰減譜α_diff(f)，計算被測試塊的真實散射衰減譜為

α(f)＝α_total(f)-α_diff(f) (4) 式中，α(f)為被測試塊的真實衰減譜，α_total(f)為被測試塊的超聲總衰減譜。

S32、根據(jù)步驟S1所選取探頭的有效頻率區(qū)間，選取頻率f_i，計算頻率f_i下的晶粒尺寸衰減評價函數(shù)為

式中，D_i為被測試塊的晶粒尺寸，α(f_i)為被測試塊在頻率f_i的真實衰減值，為頻率f_i下的晶粒尺寸衰減評價函數(shù)。

4、優(yōu)選地，所述步驟S3具體方法為：

選取的f_i等距分布在區(qū)間[f₁,f_n]，對應(yīng)修正后的衰減系數(shù)為[α(f₁),α(f_n)]，利用所述步驟S32得到的頻率f_i下的晶粒尺寸衰減評價函數(shù)測試試塊晶粒尺寸的評價模型為

式中，w_i為各頻率下的晶粒尺寸評價函數(shù)g_i^-1(α(f_i))的歸一化權(quán)值，且滿足

(三)有益效果

本發(fā)明提供了一種剔除曲面擴散影響的金屬晶粒尺寸超聲衰減評價方法，通過多元高斯聲束理論計算出由于試塊形狀、水聲距、及界面反射透射等因素引起的擴散衰減，進而得到剔除了擴散衰減部分的真實散射衰減，利用散射衰減計算衰減-晶粒尺寸評價函數(shù)，最后建立晶粒尺寸的多頻加權(quán)評價模型。針對金相法測定晶粒尺寸為124.43μm的6種不同放置方式的曲面試塊，單頻評價法的平均相對誤差為8.34％，本專利方法評價的相對誤差均值為4.28％，最小相對誤差為3.21％，最大相對誤差為5.61％?？梢?，通過剔除擴散衰減成分，同時引入多頻加權(quán)評價，減小了系統(tǒng)誤差及隨機誤差，提高了金屬材料平均晶粒尺寸超聲無損評價方法的實用性和可靠性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一種剔除曲面擴散影響的金屬晶粒尺寸超聲衰減評價方法的流程圖。

圖2為水浸法超聲檢測模型。

圖3為本發(fā)明中標(biāo)定平面試塊及試曲面試塊的幾何尺寸圖。

圖4(a)-(h)依次為#0-#7試塊的金相圖。

圖5為本發(fā)明中超聲信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6(a),6(b)為本發(fā)明中標(biāo)定平面試塊和測試曲面試塊的總衰減譜。

圖7為本發(fā)明中標(biāo)定平面試塊及測試曲面試塊的擴散衰減譜圖。

圖8(a),8(b)為本發(fā)明中測試曲面試塊及同晶粒尺寸的標(biāo)定平面試塊的真實散射減譜圖。

圖9為本發(fā)明中散射衰減-晶粒尺寸關(guān)系曲線群圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

具體實施方式是選用牌號為06Cr19Ni10的304不銹鋼制備試塊，為了建立剔除擴散影響的晶粒尺寸多頻超聲衰減評價模型，需要以晶粒尺寸已知的試塊作為參考。采用超聲脈沖信號發(fā)生/接收器與聚焦探頭連接進行脈沖信號的收發(fā)；使用運動控制卡和運動平臺，調(diào)整控制探頭垂直于被測表面上下運動，并用計算機上的高速數(shù)據(jù)采集卡獲取并存儲超聲儀輸出的原始超聲A波信號，最后在計算機上進行進一步的分析和建模。

圖1為本發(fā)明的一種剔除曲面擴散影響的金屬晶粒尺寸超聲衰減評價方法的流程圖，建模與評價的步驟如下。

S1、通過不同熱處理制備形狀相同但具有不同平均晶粒尺寸的平面標(biāo)定試塊，通過相同條件熱處理制備形狀不同但具有相同平均晶粒尺寸的曲面測試試塊，采集標(biāo)定及曲面試塊的超聲回波信號，利用一次及二次底波信號提取各個試塊的超聲總衰減譜，使用金相法測定并記錄各標(biāo)定試塊及測試試塊的晶粒尺寸。

S11、首先線切割出13個試塊坯料進行熱處理，使用高溫爐處理上述試塊坯料，設(shè)置不同的加熱溫度與保溫時間，使其具有晶粒尺寸梯度的同時保持擴散速率與晶界偏析程度基本一致，隨后進行一次去應(yīng)力退火。

S12、對熱處理后的各試塊坯料按平面標(biāo)定試塊及測試曲面試塊所設(shè)計的幾何尺寸，采用慢走絲線切割工藝進行機加工，以保證尺寸精度與超聲檢測試驗中關(guān)鍵表面的光潔度。對平面標(biāo)定試塊及測試曲面試塊進行水浸法超聲測量，提取一次底波BW1及二次底波BW2，計算總衰減譜為

式中，α_total(f)為被測試塊的超聲總衰減譜，h為被測試塊厚度，V_BW1(f)和V_BW2(f)分別為一次底波信號BW1和二次底波信號BW2進行傅立葉變換后的頻域形式。

S13、從各坯料余量的不同部位切取2個邊長為5mm的立方體小樣，以代表各試塊內(nèi)部金相組織，采用鑲樣機，配合熱鑲嵌粉制作鑲嵌試樣，對鑲嵌試樣進行磨樣與拋光；用腐蝕劑進行一定時長的腐蝕；利用金相顯微系統(tǒng)中對其進行金相的觀察和圖像采集，根據(jù)ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)計算晶粒尺寸，計算出各個平均晶粒尺寸并記作D_ki。

S2、運用多元高斯聲束理論建立不考慮散射衰減的擴散衰減計算模型，利用所建立擴散衰減計算模型計算所述步驟S1得到的各標(biāo)定試塊及測試試塊的擴散衰減譜。

S21、如圖2所示，運用高斯聲束模型求解探頭接收到的一次底波BW1及二次底波BW2的質(zhì)點振動速度v_BW1(f)和v_BW2(f)，求解過程中需要考慮以下影響因素：聲束在水-被測試塊界面、試塊-水界面的透射系數(shù)T₁₂和T₂₁，在工件-水界面的反射系數(shù)R₂₁，探頭到被測試塊表面的距離W，被測試塊厚度h和被測試塊上下曲面曲率半徑的r₁、r₂。

S22、利用所述步驟S21得到的一次底波BW1及二次底波BW2的質(zhì)點振動速度v_BW1(f)和v_BW2(f)，對探頭晶片各點處的聲壓進行面積分，則探頭接收的一次底波BW1和二次底波BW2聲束平均聲壓分別為

式中，ρ為水的密度，為超聲波在水中傳播速度，S為接收探頭的晶片有效面積，為探頭接收的一次底波BW1聲束平均聲壓，探頭接收的二次底波BW2聲束平均聲壓。

S23、運用所述步驟S22得到的探頭接收的一次底波BW1和二次底波BW2聲束平均聲壓和求出被測試塊一次底波BW1對二次底波BW2的擴散衰減譜為

式中，s(f)為檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)，t_BW1(f)為一次底波BW1的聲彈性傳遞函數(shù)，t_BW2(f)為二次底波BW2的聲彈性傳遞函數(shù)，α_diff(f)為試塊一次底波BW1對二次底波BW2的擴散衰減譜。

S3、在所述步驟S1得到的超聲總衰減譜中剔除所述步驟S2得到的擴散衰減譜分量，得到所述步驟S1得到的各標(biāo)定試塊及測試試塊的真實散射衰減譜，結(jié)合所述步驟S1得到的標(biāo)定試塊的金相法晶粒尺寸，計算各個頻率的晶粒尺寸評價函數(shù)。

S31、利用所述步驟S23得到的一次底波BW1對二次底波BW2的擴散衰減譜α_diff(f)，計算被測試塊的真實散射衰減譜為

α(f)＝α_total(f)-α_diff(f) (5)

式中，α(f)為被測試塊的真實衰減譜。

S32、根據(jù)步驟S1所選取探頭的有效頻率區(qū)間，選取頻率f_i，計算頻率f_i下的晶粒尺寸衰減評價函數(shù)為

式中，D_i為被測試塊的晶粒尺寸，α(f_i)為被測試塊在頻率f_i的真實衰減值，為頻率f_i下的晶粒尺寸衰減評價函數(shù)。

S4、利用所述步驟S3得到的各個頻率的晶粒尺寸評價函數(shù)，建立晶粒尺寸多頻加權(quán)評價模型；所述步驟S4具體方法為：

選取的f_i等距分布在區(qū)間[f₁,f_n]，對應(yīng)修正后的衰減系數(shù)為[α(f₁),α(f_n)]，利用所述步驟S32得到的頻率f_i下的晶粒尺寸衰減評價函數(shù)測試試塊晶粒尺寸的評價模型為

式中，w_i為各頻率下的晶粒尺寸評價函數(shù)g_i^-1(α(f_i))的歸一化權(quán)值，且滿足

S5、利用所述步驟S4得到的晶粒尺寸多頻加權(quán)評價模型，對各個曲面測試試塊進行晶粒尺寸評價，最后對比分析該模型的有效性。

圖3為平面標(biāo)定試塊及曲面測試試塊的外形尺寸圖，1種形狀的8個平面標(biāo)定試塊夾持狀態(tài)相同，分別記為#0、#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7，4種不同形狀曲面測試試塊可有6種夾持狀態(tài)，分別記為#A、#B、#BT、#C、#D、#DT。

圖5為本發(fā)明中超聲信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，采用Olympus5072PR超聲脈沖信號發(fā)生/接收器與聚焦探頭連接進行脈沖信號收發(fā)，選用型號為GE-IAP10.6.3的聚焦探頭，其中心頻率f為10MHz，焦距F為75mm，通過專用夾具對試塊進行端面固定，控制探頭微動使其與被測表面垂直、對中，并實現(xiàn)探頭上下運動以改變水聲距。在檢測中將探頭焦距F設(shè)為水聲距W，有效提高入射聲能并控制波形畸變。使用ADLINK PCIe-9852高速數(shù)據(jù)采集卡，得到采樣間隔為5ns的A波數(shù)據(jù)。試塊的熱處理采用KSL1700X型高溫爐，金相分析中使用的腐蝕液化學(xué)成分為20％HF+10％HNO3+70％H2O，腐蝕時間為20min，接著對試塊進行磨樣、拋光，采用Leica公司DM4000M型金相顯微鏡觀察金相組織。試塊的熱處理條件及金相法晶粒尺寸如表1所示。

表1試塊熱處理條件與金相法晶粒尺寸

設(shè)置時間閘門獲取時域BW1、BW2信號并計算其幅頻特性曲線，由式(1)計算每個頻率分量下的實測總衰減系數(shù)，見圖6，其中圖6(a)為平面標(biāo)定試塊的試驗總衰減譜，圖6(b)為曲面測試試塊的試驗總衰減譜。

針對曲面測試試塊#B和#DT，運用高斯理論模擬工件彎曲界面對超聲聲束擴散的影響。通過模擬可知，聚焦探頭發(fā)射的聲束在穿透凸型和凹形水-鋼界面時，將分別發(fā)生發(fā)散和聚集；而聲束從凸型和凹形鋼-水界面透射出時，將分別發(fā)生聚集和發(fā)散。進一步依據(jù)公式(4)模擬計算擴散衰減系數(shù)的值，結(jié)果如圖7所示。

運用上述所得的試驗總衰減譜及擴散衰減譜，代入公式(5)計算真實的散射衰減，結(jié)果如圖8所示。圖8(a)及圖6(b)分別對比于圖8(b)，對于剔除擴散衰減后的曲面試塊#A～#DT衰減譜，其變化趨勢更接近參考平面試塊#5，且由包絡(luò)線構(gòu)成的衰減帶寬度更窄。計算修正曲面試塊擴散系數(shù)前后，多個頻率分量下衰減值的離散系數(shù)CV，以此考量修正前后衰減譜的離散程度，結(jié)果如表2所示，相較于修正前，修正后的CV值平均下降了0.057，意味著數(shù)據(jù)的離散度減低了31％，修正模型的評價穩(wěn)定性將得到顯著提高。

表2曲面測試試塊剔除擴散衰減前后的離散系數(shù)

根據(jù)試驗有效頻段，參考所選探頭主頻與帶寬參數(shù)，取評價模型頻率范圍為[2.5MHz,8.5MHz]。運用圖6(a)中平面衰減譜數(shù)據(jù)及金相法測得的#0～#7平面試塊晶粒尺寸，選用多項式模型建立衰減-晶粒尺寸評價函數(shù)，即對于每一個確定的頻率分量f_i，滿足

g_i(D)＝p_iD³+q_iD+c_i (8)

取頻率間隔為0.5MHz，故評價函數(shù)曲線數(shù)n為13，部分擬合結(jié)果如圖9所示，各頻率下評價函數(shù)的參數(shù)p_i、q_i、c_i的值如表3所示。

表3衰減-晶粒尺寸評價函數(shù)組參數(shù)

結(jié)合公式(7)，為簡化該公式，取各晶粒尺寸衰減評價函數(shù)的權(quán)重wi均相等。對于不參與推導(dǎo)的曲面驗證試塊#A～#DT，根據(jù)實測有效衰減譜的頻率值域[2.5MHz,7MHz]，結(jié)合圖9，取評價函數(shù)系列，可得曲面試塊的晶粒尺寸評價式

對于傳統(tǒng)晶粒尺寸頻域評價法，用單一固定頻率下的衰減-晶粒尺寸函數(shù)進行評價，結(jié)合實測有效衰減譜的頻率值域，取表3中擬合相關(guān)系數(shù)最高的晶粒尺寸評價函數(shù)，可得傳統(tǒng)法晶粒尺寸評價式

對曲面測試試塊的晶粒尺寸進行評價，首先利用傳統(tǒng)衰減法模型式(10)，選取7MHz下的衰減-晶粒尺寸函數(shù)，得到一組評價結(jié)果；接著運用多頻加權(quán)評價模型(9)，同樣在7MHz下對曲面試塊進行評價；

結(jié)果如表4所示。

表4剔除擴散衰減前后晶粒尺寸評價效果對比

本發(fā)明的方法根據(jù)多元高斯聲束理論計算出由于試塊形狀、水聲距、及界面反射透射等因素引起的擴散衰減，進而得到剔除了擴散衰減部分的真實散射衰減，利用散射衰減計算衰減-晶粒尺寸評價函數(shù)，最后建立晶粒尺寸的多頻加權(quán)評價模型。針對金相法測定晶粒尺寸為124.43μm的6種不同放置方式的曲面試塊，單頻評價法的平均相對誤差為8.34％，本專利方法評價的相對誤差均值為4.28％，最小相對誤差為3.21％，最大相對誤差為5.61％。可見，通過剔除擴散衰減成分，同時引入多頻加權(quán)評價，減小了系統(tǒng)誤差及隨機誤差，提高了金屬材料平均晶粒尺寸超聲無損評價方法的實用性和可靠性。

以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。