一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法技术

本发明专利技术公开了一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法，所述方法通过对平面标定金属试块进行数据采集，利用所采集的一次及二次底波信号提取试验总衰减谱，运用多元高斯声束理论建立曲面试块扩散衰减模型，进而得到剔除扩散衰减分量的散射衰减谱，运用散射衰减谱计算晶粒尺寸评价函数，建立晶粒尺寸多频加权评价模型，最后运用所建立的晶粒尺寸多频加权评价模型对晶粒尺寸未知的曲面测试试块进行晶粒尺寸评价。该方法能减小系统误差和随机误差，针对金相法测定晶粒尺寸为124.43 μm的6种不同曲率试块，该方法评价相对误差均值为4.28%。可见，本发明专利技术提供的方法有效抑制了曲面扩散对晶粒尺寸评价的影响，提高了曲面金属晶粒尺寸无损评价的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属平均晶粒尺寸测量
，尤其涉及一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法。
技术介绍
晶粒尺寸是表征金属材料微观特性的一个重要参数，如细晶强化是提高多晶铸件强度、塑性及韧性的有效手段，而增大晶粒尺寸则可使晶界能降低，提高金属的耐腐蚀性能。因此，在金属构件的生产和服役过程中，严格控制晶粒尺寸是保障金属材料强度、韧性、耐候性等机械性能的关键之一，而有效检测晶粒尺寸又是其的前提和基础。获取金属材料晶粒尺寸的方法可分为有损和无损两种，有损法如金相法具有结果直观和检测精度高等优点，但需对材料进行破坏，且分析程序繁琐、检测效率低，因此研究出一种能准确检测材料晶粒尺寸的无损方法具有十分重要的意义。超声无损评价方法具有穿透能力强、灵敏度高、对人体无害等优点，是目前国内外对材料进行微观结构检测所普遍采用的无损方法。由于多晶金属材料的粘滞、阻尼及晶界散射效应等的作用，超声波强度及波谱成分都会发生改变，其中晶粒尺寸很大程度上决定了声能的散射衰减，因此可通过测定超声散射衰减系数间接评价材料的晶粒尺寸。然而在对曲面工件的实际测量中，声能的衰减与波谱成分的变化还包含了较大程度的扩散损失，即超声传播过程中因声束发散、曲面界面反射与折射，导致有限孔径的探头仅能接收到部分回波信号，因此有必要进行声能的扩散补偿以减少因衍射带来的声能衰减。基于以上研究现状，本专利技术结合高斯声束理论，建立了一种可剔除工件曲面曲率及水声距设置对超声衰减总量的影响，减小系统误差，提高衰减法评价曲面工件晶粒尺寸的精度的方法。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是在检测曲面工件时，如何精确、可靠、无损测量其晶粒尺寸。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法，所述方法包括以下步骤：为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法，所述方法包括以下步骤：S1、通过不同热处理制备形状相同但具有不同平均晶粒尺寸的平面标定试块，通过相同条件热处理制备形状不同但具有相同平均晶粒尺寸的曲面测试试块，采集标定及曲面试块的超声回波信号，利用一次及二次底波信号提取各个试块的超声总衰减谱，使用金相法测定并记录各标定试块及测试试块的晶粒尺寸。S2、运用多元高斯声束理论建立不考虑散射衰减的扩散衰减计算模型，利用所建立扩散衰减计算模型计算所述步骤S1得到的各标定试块及测试试块的扩散衰减谱。S3、在所述步骤S1得到的超声总衰减谱中剔除所述步骤S2得到的扩散衰减谱分量，得到所述步骤S1得到的各标定试块及测试试块的真实散射衰减谱，结合所述步骤S1得到的标定试块的金相法晶粒尺寸，计算各个频率的晶粒尺寸评价函数。S4、利用所述步骤S3得到的各个频率的晶粒尺寸评价函数，建立晶粒尺寸多频加权评价模型。S5、利用所述步骤S4得到的晶粒尺寸多频加权评价模型，对各个曲面测试试块进行晶粒尺寸评价。2、优选地，所述步骤S2具体为：S21、运用高斯声束模型求解探头接收到的一次底波BW1及二次底波BW2的质点振动速度vBW1(f)和vBW2(f)，求解过程中需要考虑以下影响因素：声束在水-被测试块界面、试块-水界面的透射系数T12和T21，在工件-水界面的反射系数R21，探头到被测试块表面的距离W，被测试块厚度h和被测试块上下曲面曲率半径的r1、r2。S22、利用所述步骤S21得到的一次底波BW1及二次底波BW2的质点振动速度vBW1(f)和vBW2(f)，对探头晶片各点处的声压进行面积分，则探头接收的一次底波BW1和二次底波BW2声束平均声压分别为式中，ρ为水的密度，为超声波在水中传播速度，S为接收探头的晶片有效面积，为探头接收的一次底波BW1声束平均声压，探头接收的二次底波BW2声束平均声压。S23、运用所述步骤S22得到的探头接收的一次底波BW1和二次底波BW2声束平均声压和求出被测试块一次底波BW1对二次底波BW2的扩散衰减谱为式中，s(f)为检测系统的系统函数，tBW1(f)为一次底波BW1的声弹性传递函数，tBW2(f)为二次底波BW2的声弹性传递函数，αdiff(f)为试块一次底波BW1对二次底波BW2的扩散衰减谱。3、优选地，所述步骤S3具体为：S31、利用所述步骤S23得到的一次底波BW1对二次底波BW2的扩散衰减谱αdiff(f)，计算被测试块的真实散射衰减谱为α(f)＝αtotal(f)-αdiff(f)(4)式中，α(f)为被测试块的真实衰减谱，αtotal(f)为被测试块的超声总衰减谱。S32、根据步骤S1所选取探头的有效频率区间，选取频率fi，计算频率fi下的晶粒尺寸衰减评价函数为式中，Di为被测试块的晶粒尺寸，α(fi)为被测试块在频率fi的真实衰减值，为频率fi下的晶粒尺寸衰减评价函数。4、优选地，所述步骤S3具体方法为：选取的fi等距分布在区间[f1,fn]，对应修正后的衰减系数为[α(f1),α(fn)]，利用所述步骤S32得到的频率fi下的晶粒尺寸衰减评价函数测试试块晶粒尺寸的评价模型为式中，wi为各频率下的晶粒尺寸评价函数gi-1(α(fi))的归一化权值，且满足(三)有益效果本专利技术提供了一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法，通过多元高斯声束理论计算出由于试块形状、水声距、及界面反射透射等因素引起的扩散衰减，进而得到剔除了扩散衰减部分的真实散射衰减，利用散射衰减计算衰减-晶粒尺寸评价函数，最后建立晶粒尺寸的多频加权评价模型。针对金相法测定晶粒尺寸为124.43μm的6种不同放置方式的曲面试块，单频评价法的平均相对误差为8.34％，本专利方法评价的相对误差均值为4.28％，最小相对误差为3.21％，最大相对误差为5.61％。可见，通过剔除扩散衰减成分，同时引入多频加权评价，减小了系统误差及随机误差，提高了金属材料平均晶粒尺寸超声无损评价方法的实用性和可靠性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法的流程图。图2为水浸法超声检测模型。图3为本专利技术中标定平面试块及试曲面试块的几何尺寸图。图4(a)-(h)依次为#0-#7试块的金相图。图5为本专利技术中超声信号采集系统结构示意图。图6(a),6(b)为本专利技术中标定平面试块和测试曲面试块的总衰减谱。图7为本专利技术中标定平面试块及测试曲面试块的扩散衰减谱图。图8(a),8(b)为本专利技术中测试曲面试块及同晶粒尺寸的标定平面试块的真实散射减谱图。图9为本专利技术中散射衰减-晶粒尺寸关系曲线群图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围。具体实施方式是选用牌号为06Cr19Ni10的304不锈钢制备试块，为了建立剔除扩散影响的晶粒尺寸多频超声衰减评价模型，需要以晶粒尺寸已知的试块作为参考。采用超声脉冲信号发生/接收器与聚焦探头连接进行脉冲信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S11、通过不同热处理制备形状相同但具有不同平均晶粒尺寸的平面标定试块，通过相同条件热处理制备形状不同但具有相同平均晶粒尺寸的曲面测试试块，采集标定及曲面试块的超声回波信号，利用一次及二次底波信号提取各个试块的超声总衰减谱，使用金相法测定并记录各标定试块及测试试块的晶粒尺寸；S12、运用多元高斯声束理论建立不考虑散射衰减的扩散衰减计算模型，利用所建立扩散衰减计算模型计算所述步骤S11得到的各标定试块及测试试块的扩散衰减谱；S13、在所述步骤S11得到的超声总衰减谱中剔除所述步骤S12得到的扩散衰减谱分量，得到所述步骤S11得到的各标定试块及测试试块的真实散射衰减谱，结合所述步骤S11得到的标定试块的金相法晶粒尺寸，计算各个频率的晶粒尺寸评价函数；S14、利用所述步骤S13得到的各个频率的晶粒尺寸评价函数，建立晶粒尺寸多频加权评价模型；S15、利用所述步骤S14得到的晶粒尺寸多频加权评价模型，对各个曲面测试试块进行晶粒尺寸评价。

【技术特征摘要】
1.一种剔除曲面扩散影响的金属晶粒尺寸超声衰减评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S11、通过不同热处理制备形状相同但具有不同平均晶粒尺寸的平面标定试块，通过相同条件热处理制备形状不同但具有相同平均晶粒尺寸的曲面测试试块，采集标定及曲面试块的超声回波信号，利用一次及二次底波信号提取各个试块的超声总衰减谱，使用金相法测定并记录各标定试块及测试试块的晶粒尺寸；S12、运用多元高斯声束理论建立不考虑散射衰减的扩散衰减计算模型，利用所建立扩散衰减计算模型计算所述步骤S11得到的各标定试块及测试试块的扩散衰减谱；S13、在所述步骤S11得到的超声总衰减谱中剔除所述步骤S12得到的扩散衰减谱分量，得到所述步骤S11得到的各标定试块及测试试块的真实散射衰减谱，结合所述步骤S11得到的标定试块的金相法晶粒尺寸，计算各个频率的晶粒尺寸评价函数；S14、利用所述步骤S13得到的各个频率的晶粒尺寸评价函数，建立晶粒尺寸多频加权评价模型；S15、利用所述步骤S14得到的晶粒尺寸多频加权评价模型，对各个曲面测试试块进行晶粒尺寸评价。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S12具体为：S21、如图2所示，运用高斯声束模型求解探头接收到的一次底波BW1及二次底波BW2的质点振动速度和，求解过程中需要考虑以下影响因素：声束在水-被测试块界面、试块-水界面的透射系数T12和T21，在工件-水界面的反射系数R21，探头到被测试块表面的距离W，被测试块厚度h和被测试块上下曲面曲率半径的r1、r2；S22、利用所述步骤S21得到的一次底波BW1及二次底波BW2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雄兵，张晨昕，高广军，戴万林，宋永锋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43