基于ebsd图谱的粗晶材料fdtd超声检测仿真模型建立方法
【专利摘要】一种基于EBSD图谱的粗晶材料FDTD超声检测仿真模型建立方法，属于超声无损检测【技术领域】。其步骤为：直接利用EBSD技术获取粗晶材料的晶体取向图谱后，根据宏观金相照片中的实际晶粒结构，选择阈值角定义图谱中的晶粒，并以主取向对应的颜色对晶粒进行填充，并通过灰度处理获得由方形像素点组成的图像。晶粒取向由灰度值对应的欧拉角Φ、表示，用以定量计算晶粒的弹性各向异性刚度矩阵。相比于以往模型，本模型具有晶粒结构和晶粒取向描述准确、运算效率高等优点，为解决粗晶材料超声检测中的缺陷定量、定位、定性问题提供模型基础。本发明还可以拓展至奥氏体焊缝、双相钛合金等其他弹性各向异性多晶材料超声仿真模型的建立，具有良好的推广及应用前景。
【专利说明】基于EBSD图谱的粗晶材料FDTD超声检测仿真模型建立方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于EBSD图谱的粗晶材料FDTD超声检测仿真模型建立方法，尤 其涉及超声无损检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 奥氏体不锈钢等粗晶材料广泛应用于核电和化工等领域，其安全性备受关注。由 于复杂的粗晶结构和晶粒取向，此类材料具有很强的弹性各向异性，导致超声无损检测过 程中出现严重的声束偏转、结构噪声、信号畸变等现象，难以准确对缺陷进行定位、定量和 定性。
[0003] 为解决上述问题，本领域的研究人员试图建立相应的超声检测仿真模型，借助模 拟手段描述超声波与弹性各向异性结构之间的交互作用。早期的模型是从焊缝仿真模型的 基础上发展起来的，建模思路主要是参照材料的宏观金相照片，将模型划分为多个各向异 性单元。同时，根据柱状晶晶粒生长特征，结合材料学知识，人为设置单元的晶体取向。由 于这种半经验的方法没有对晶粒的取向和分布进行准确测量，导致模型的超声计算与实验 结果有很大差异。尽管后期引入了 XRD(X_Ray Diffraction，X射线衍射）对材料局部的晶 体取向进行了测量，一定程度上修正了模型的取向设置，但是仍然无法准确测得晶粒取向 的分布特征，使模型的发展受到了制约。
[0004] 2009年法国原子能委员在CIVA商用软件中开发了一种基于泰森多边形图形法的 仿真模型。该模型利用泰森多边形围成的凸面封闭区域作为模拟晶粒，并假设晶粒为弹性 各向同性介质。虽然这种模型能够较为准确地描述晶粒结构，但是，通过随机函数设置弹性 各向同性晶粒之间的声速波动来等效弹性各向异性的方法，没有考虑声速随超声波传播方 向的变化特征，导致模型的计算结果与实验结果之间有较大出入。
[0005] 近年来，电子背散射衍射EBSD已经被越来越多的国内外材料研究学者所接受。该 技术既能表征材料的晶粒形貌又能定量描述材料的晶粒取向，被认为是SEM和XRD的结合。 2009年，伯明翰大学的研究人员利用EBSD技术扫描了奥氏体焊缝截面，得到了晶体取向图 谱。参照图谱特征，利用CIVA软件中的CAD功能绘制了由157个弹性各向异性单元组成的 模型。最后，根据单元的晶体取向对其赋以相应的刚度矩阵，完成模型的建立。相比于以往 模型，这种通过实验数据获得的模型能够更加准确地描述晶粒结构和晶粒取向。
[0006] 但是，由于弹性各向异性单元数量影响该模型的运算效率，为了缩短运算时间，不 得不采用减少单元数量的方式简化模型，即便如此，对于157个单元的模型而言，运行一次 仍然需要近100小时。此外，对于具有粗大的取向有序柱状晶而言，这种简化对计算结果的 影响较小。与焊缝不同，粗晶材料不仅含有取向有序的柱状晶，还含有取向随机分布的等轴 晶，而且晶粒尺寸相对较小。若采用上述简化方法，会导致晶粒结构和取向失真严重，影响 模型的计算精度。因此，粗晶材料的弹性各向异性单元划分过程要求尽可能地还原晶粒结 构，以保证计算精度。同时，还需要采取相应的方法提高这种高精度模型的计算效率。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于EBSD图谱的粗晶材料FDTD超声检测仿真模型建 立方法。相比于以往模型，本模型应具有晶粒结构和晶粒取向描述准确、模型运算效率更高 等优点。还能模拟出粗晶材料超声检测中的结构噪声，有助于深入理解超声波与各向异性 晶粒之间的交互作用，为解决粗晶材料中的缺陷定量、定位、定性问题提供模型基础。同时 本发明还可以拓展至奥氏体焊缝、双相钛合金等其他弹性各向异性多晶材料超声仿真模型 的建立，具有良好的推广及应用前景。
[0008] 本发明采用的技术方案是：一种基于EBSD图谱的粗晶材料FDTD超声检测仿真模 型建立方法，包括如下步骤：
[0009] (1)根据《GB/T19501-2004电子背散射衍射分析方法通则》国家标准，对试样进 行切割、打磨、机械抛光、去应力电解抛光等预处理。选择40 μ m扫描步长对待测试样进行 EBSD分析；
[0010] ⑵利用EBSD装置对试样的整个截面进行扫描，每次约6mm2,然后按照顺序将得 到的小区域图谱进行拼接，最终获得由多张图谱拼接而成的完整晶体取向图谱；
[0011] ⑶根据实际材料的晶粒结构，利用channel5分析软件调整晶体取向图谱中的阈 值角，确定模型的晶粒轮廓，将其作为模型的弹性各向异性单元；
[0012] (4)利用channel5分析软件统计出每个单元中像素点数量最多的色阶值，然后将 晶粒内所有像素点的颜色统一为该色阶值，并记下该色阶值对应的欧拉角；
[0013] (5)将EBSD图谱导出为JPG格式的图片，然后在Photoshop软件中打开，转化为灰 度图像，将晶粒的色阶值设置成相应的灰度值，以PCX图片格式导出并保存灰度图；
[0014] (6)利用晶粒对应的欧拉角
【权利要求】
1. 一种基于EBSD图谱的粗晶材料FDTD超声检测仿真模型建立方法，其特征在于，包括 如下步骤： (1) 根据《GB/T19501-2004电子背散射衍射分析方法通则》国家标准，对试样进行切 害I]、打磨、机械抛光、去应力电解抛光等预处理，选择40 μ m扫描步长对待测试样进行EBSD 分析； (2) 利用EBSD装置对试样的整个截面进行扫描，每次约6mm2,然后按照顺序将得到的 小区域图谱进行拼接，最终获得由多张图谱拼接成的完整晶体取向图谱； (3) 根据实际材料的晶粒结构，利用channel5分析软件调整晶体取向图谱中的阈值 角，确定模型的晶粒轮廓，将其作为模型的弹性各向异性单元； (4) 利用channel5分析软件统计出每个单元中像素点数量最多的色阶值，然后将晶粒 内所有像素点的颜色统一为该色阶值，并记下该色阶值对应的欧拉角； (5) 将EBSD图谱导出为JPG格式的图片，然后在Photoshop软件中打开，转化为灰度图 像，将晶粒的色阶值设置成相应的灰度值，以PCX图片格式导出并保存灰度图； (6) 利用晶粒对应的欧拉角
Φ、
求得表示晶体取向的方向余弦矩阵R，
(1) 由R中的9个阵元Rn到R33推导出旋转矩阵Rd，
(2) 利用rd对本构刚度矩阵C进行旋转，得到该晶粒取向下的弹性刚度矩阵C'， (;，=/(? (1) 其中，C为6X6矩阵，由3个独立的弹性常数构成，
(4) (7) 将模型输入到FDTD超声数值仿真程序，模型的下边界设置为固体-真空界面，其余 三个边界设置为无限边界，选用高斯脉冲拟合波形作为声源，放置在模型的不同位置，进行 数值计算，最后将模拟结果与实验结果进行对比。
【文档编号】G01N29/30GK104090033SQ201410339381
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】雷明凯, 赵天伟, 陈尧, 张东辉, 林莉, 杨会敏, 罗忠兵, 严宇, 周全, 刘丽丽 申请人:大连理工大学, 核工业工程研究设计有限公司