一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法，所述方法通过对参考试块进行数据采集，并用信号平均技术进行前处理，构造并计算衰减速率系数及平均衰减速率系数，建立不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型，对晶粒尺寸未知的试块进行晶粒尺寸评价。该方法无需对厚度进行测量，规避了被测对象厚度测量不便和测量不准对后续平均晶粒尺寸的影响，且通过前处理的手段，有效提高了本发明方法的抗干扰能力，对金相法测得平均晶粒尺寸为87.7μm和103.5μm的两个测试试块，评价的结果分别为84.9μm和98.9μm，误差控制在±5％内。可见，本发明的方法提供了一种不受厚度影响并可有效评价金属材料晶粒尺寸的手段。
【专利说明】一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及晶粒尺寸测量【技术领域】，更具体涉及一种无需测厚的晶粒尺寸超声无 损评价方法。
【背景技术】
[0002] 晶粒尺寸是影响各种金属材料机械性能的一个重要微观结构参数，霍尔-佩奇公 式（Hall-Petch公式）指出通过细化晶粒可以提高金属材料的力学性能。若奥氏体不锈钢 焊接件在服役前，焊接热影响区晶粒过大，服役后将导致强度不足、耐腐蚀疲劳性能差，易 出现裂纹成核并沿着焊接边缘传播，最后造成断裂事故。可见，在服役前有效检测关键材质 的晶粒尺寸，对其的安全应用有重大意义。通过有损的金相法或电子背散射衍射法可直观 地测量晶粒尺寸，但需要对材料进行破坏，而且分析程序繁琐、检测效率偏低。因此，如何有 效、便捷地评价晶粒尺寸一直是无损评价领域的热点问题。
[0003] 目前晶粒尺寸无损评价方法按原理可分为超声法和涡流法，其中超声法又包含背 散射法、声速法和衰减法。传统的背散射方法无需知道被测对象的厚度，但为了避免散射波 与表面回波、底面回波混叠，一般要求被测对象厚度在6_以上，使得背散射法的应用具有 局限性，且只有加入厚度测量值进行修正时，才能保证背散射评价模型有较高的评价精度。 声速法和衰减法对被测对象的厚度范围没有要求，但这两种方法都需利用到被测对象的厚 度。可见，厚度的测量误差会直接影响晶粒尺寸评价的精度。在工业流水线上，难以保证每 一个被测对象的厚度完全一致，若要预先对所有被测对象的厚度进行测量，必然使检测成 本和检测工时成倍增加，同时在实际应用中普遍存在被测对象壁厚测量不便的情况，进而 降低这两种方法的实用性。基于该研究现状，本发明构造了超声衰减速率，并以其为声学特 征量建立了一种不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型。其次，制定了信号的前处理方 法，采用信号平均方法对超声信号进行去噪，进一步提高评价方法的抗干扰能力。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 本发明要解决的技术问题是在不测量被测对象厚度的条件下，如何精确、可靠、无 损地测量晶粒尺寸。
[0006] (二）技术方案
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方 法，所述方法包括以下步骤：
[0008] S1、制备并采集各个参考试块的S个经过前处理的超声A波信号，测量每个所述参 考试块的平均晶粒尺寸；
[0009] S2、构造衰减速率系数，利用步骤S1得到的超声A波信号的表面一次回波、底面一 次回波和底面二次回波，计算衰减速率系数及平均衰减速率系数，建立不含厚度测量值的 晶粒尺寸超声评价模型；
[0010] S3、利用所述步骤S2得到的不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型，对晶粒尺 寸未知的测试试块进行晶粒尺寸无损评价及验证；
[0011] 优选地，所述步骤S1中，制备参考试块，采集所述每个参考试块的超声A波信号， 用信号平均技术进行前处理，并测量其平均晶粒尺寸。
[0012] 优选地，所述步骤S1具体为：
[0013] S11、将Φ 25mm的棒材用线切割获得K个高15mm的坯料；用高温炉分别进行固溶 处理，使各参考试块的晶粒尺寸按梯度分布，接着对所有参考试块进行一次去应力退火；对 热处理后的各参考试块进行初步的磨样，去除表面氧化层，完成试块的制备；
[0014] S12、采用水浸脉冲反射法采集各参考试块的原始超声A波信号，首先将第k个参 考试块（k= 1，2，...，K)置于水槽中，用探头架夹持超声纵波探头连接于六自由度运动平 台上，通过运动控制卡控制ζ轴运动，从而调整超声纵波探头的位置，接近被测参考试块， 其中为了保证水声距的一致性，通过结合原始超声Α波信号波形可实现探头位置的自动调 整，需设置一个表面一次回波峰值点许可范围n FW±eFW，和一个阈值TFW，若在超声纵波探头 由远及近接近试块的过程中，首次有信号值在许可范围内超过阈值T FW，即表面一次回波的 峰值点落入许可范围内，则自动停止ζ轴运动；
[0015] S13、超声纵波探头位置调整完毕后，为保证超声纵波探头声轴线与参考试块上表 面严格垂直，需要控制运动平台的A、B轴调整超声纵波探头的姿态来对准参考试块，其中 通过结合原始超声A波信号波形可实现探头姿态的自动调整，当表面一次回波幅值最大 时，可认为探头的声轴线与试块被测点位的上表面达到垂直，记录在A、B轴连续运动中，不 同姿态所得到的表面波反射幅值，最后定位到表面一次回波幅值最强的姿态，完成姿态的 自动调整，姿态的自动调整保证了操作的简便性和测试的可重复性；
[0016] S14、调整数据采集卡的采样长度N，使原始超声A波信号足以呈现表面一次回波、 底面一次回波和底面二次回波；接着对采集到的原始信号用信号平均技术进行滤波，设信 号平均次数为N，则连续采集N组超声A波信号可依次记为& (η)，Α2 (η)，. . .，ΑΝ (η)，则平均 后的信号
【权利要求】
1. 一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步 骤： 51、 制备并采集各个参考试块的S个经过前处理的超声A波信号，测量每个所述参考试 块的平均晶粒尺寸； 52、 构造衰减速率系数，利用步骤S1得到的超声A波信号的表面一次回波、底面一次回 波和底面二次回波，计算衰减速率系数及平均衰减速率系数，建立不含厚度测量值的晶粒 尺寸超声评价模型； 53、 利用所述步骤S2得到的不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型，对晶粒尺寸未 知的测试试块进行晶粒尺寸无损评价及验证。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，制备参考试块，采集所述 每个参考试块的超声A波信号，用信号平均技术进行前处理，并测量其平均晶粒尺寸。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为： 511、 将Φ 25mm的棒材用线切割获得K个高15mm的坯料；用高温炉分别进行固溶处理， 使各参考试块的晶粒尺寸按梯度分布，接着对所有参考试块进行一次去应力退火；对热处 理后的各参考试块进行初步的磨样，去除表面氧化层，完成试块的制备； 512、 采用水浸脉冲反射法采集各参考试块的原始超声A波信号，首先将第k个参考试 块（k= 1，2，...，K)置于水槽中，用探头架夹持超声纵波探头连接于六自由度运动平台上， 通过运动控制卡控制ζ轴运动，从而调整超声纵波探头的位置，接近被测参考试块，其中为 了保证水声距的一致性，通过结合原始超声Α波信号波形可实现探头位置的自动调整，需 设置一个表面一次回波峰值点许可范围n FW±eFW，和一个阈值TFW，若在超声纵波探头由远及 近接近试块的过程中，首次有信号值在许可范围内超过阈值T FW，即表面一次回波的峰值点 落入许可范围内，则自动停止ζ轴运动； 513、 超声纵波探头位置调整完毕后，为保证超声纵波探头声轴线与参考试块上表面严 格垂直，需要控制运动平台的A、B轴调整超声纵波探头的姿态来对准参考试块，其中通过 结合原始超声A波信号波形可实现探头姿态的自动调整，当表面一次回波幅值最大时，可 认为探头的声轴线与试块被测点位的上表面达到垂直，记录在A、B轴连续运动中，不同姿 态所得到的表面波反射幅值，最后定位到表面一次回波幅值最强的姿态，完成姿态的自动 调整，姿态的自动调整保证了操作的简便性和测试的可重复性； 514、 调整数据采集卡的采样长度N，使原始超声A波信号足以呈现表面一次回波、底面 一次回波和底面二次回波；接着对采集到的原始信号用信号平均技术进行滤波，设信号平 均次数为N，则连续采集N组超声A波信号可依次记为& (η)，Α2 (η)，. . .，ΑΝ (η)，则平均后的
信号 Ο) 随着Ν的增大，随机电噪声幅值的方差以Ν倍下降，Ν -般选择为40至60次即可有效 的抑制随机噪声，提高评价方法的抗干扰能力；又因为直流分量对声学特征量的准确计算 有严重的影响，所以选取始发波和表面回波之间的一段电噪声信号作为参考，记为参考信 号R(n)，通过计算其幅值的均值友来逼近直流分量，并在中减去及以实现直流分量的 消除，至此完成信号的前处理； 515、 最后储存该点位射频模式下的经过前处理的超声A波信号，每个参考试块采集S 个经过前处理的A波信号，记第k个试块的第j个（j = 1，2, ...，S)经过前处理的超声 A波信号为，并对原始超声A波信号设置双闸门，手动调整两个闸门的起始位置和 闸门长度，分别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，分别记为
，接着更换下一个试块，即使k = k+Ι，重复步骤S12、S13、S14、 S15 ； 516、 每个参考试块任意选取3个检测面，分别进行切割、镶嵌、磨样及抛光，并配置浸 蚀剂，对各检测面进行浸蚀，用金相显微系统进行拍照，根据GB/T 6394-2002对各参考试 块每个检测面随机选取5个视场，利用测量网格进行平均晶粒尺寸的截线法测量，得到各 个参考试块多个截面的平均晶粒尺寸分别记为D k，为晶粒尺寸评价模型的建立作准备。
4. 根据其权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，构造并计算各个参考模 块的衰减速率系数及平均衰减速率系数，建立评价模型。
5. 根据其权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为： 521、 构造如下的超声衰减速率系数
(2) 式中，α为超声衰减系数，为超声纵波声速，u = α 为所构造的超声衰减速率， fa为数据采集卡的采样频率，nFW是表面一次回波的峰值点位置，nBW1是底面一次回波 孓(《)的峰值点位置，nBW2是底面二次回波只《)的峰值点位置； 所构造的超声衰减速率只与超声信号本身相关，不含被测对象的厚度测量值，从量纲 分析可知，ct的量纲为Np/m, 的量纲为m/s,故u的量纲为Np/s,即超声衰减速率可理 解为超声波在传播过程中单位时间内的衰减量，以其为声学特征量对平均晶粒尺寸进行评 价，则无需进行测厚； 522、 利用步骤S1得到的第k个参考试块第j个经过前处理的超声A波信号的表面一 次回波、底面一次回波和底面二次回波，即^(?)、和，计算第k个参考试块第 j个经前处理的超声A波信号中的衰减速率为
(3) 式中是第k个参考试块第j个信号的衰减速率，<Γ是第k个参考试块第j个信号 的表面一次回波峰值点位置，_<Γ是第k个参考试块第j个信号的底面二次回波峰值点位
分别是第k个参考试块第j个信号的表面一次回 波、底面一次回波和底面二次回波峰值； 523、 计算第k个参考模块的S个超声A波信号的平均衰减速率，如式（4)
(4) 524、 对步骤S23得到的平均衰减速率和步骤S1得到的平均晶粒尺寸进行最小二乘法 线性拟合，拟合直线为
(5) 式中，拟合值的单位为μ m，且拟合系数{c^dj的求法为
(6) 解上述的法方程组即可得到拟合系数{屯，dj，式中运算符（，）表示求两向量内积，具
将式（7)的结果代入式（6)，解得拟合系数{c^dj，此时式（6)即本发明所建立的不含 厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型。 体为 (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) (7.5) (7.6)
【文档编号】G01N15/02GK104297110SQ201410478957
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】李雄兵, 宋永锋, 田红旗, 高广军, 倪培君, 胡宏伟, 司家勇, 刘锋, 杨岳, 刘希玲 申请人:中南大学