晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法
【专利摘要】本发明公开了一种晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法，属于超声波无损评价技术领域。该方法基于超声波在试样中能量衰减分析，制备传播距离恒定的双超声波探头，采用热处理方式获得不同晶粒尺寸的试样，通过超声波声弹性系数标定实验，计算并建立各晶粒尺寸试样超声波信号间时间差与应力间关系，采用线性拟合函数获得各晶粒尺寸试样的超声波声弹性系数，通过幂函数拟合获得超声波声弹性系数与晶粒尺寸间函数，进而实现晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正。本发明为晶粒尺寸影响材料应力的评价提供了一种无损方法，具有快速、方便、安全，可实现在线评价等优点。
【专利说明】
晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法
技术领域
[0001] 本发明属于超声波无损评价技术领域，具体来说涉及的是一种晶粒尺寸影响超声 波评价材料应力的修正方法。
【背景技术】
[0002] 焊接结构的服役可靠性是推动和保证焊接产品高效、安全融入市场循环的关键， 因而焊接结构服役可靠性的保证对推动焊接产品在工业领域的应用就显得极为重要。相关 研究表明，对影响焊接结构服役可靠性的因素进行评价是实现其服役可靠性保证的一种行 之有效途径，而焊接应力是其关键因素之一，为此国内外学者对焊接结构应力的控制进行 了大量实验与理论研究，如:①焊接工艺优化研究;②焊接新方法研究或多种焊接方法的复 合;③焊接新材料的开发;④焊接装备研究。上述方法虽可在一定程度上实现焊接应力的优 化，但仍集中于焊接应力的调控，并未实现焊接应力的直接评价，因而不可避免会对焊接结 构的服役带来一定安全隐患。
[0003] 目前，国内外对焊接应力进行评价的方法可分为有损评价与无损评价两类。有损 法是在(局部)破坏焊接结构完整性基础上实现应力评价的一类方法，如盲孔法、弯曲法等。 该类方法虽可实现焊接应力的评价，但它属于小样品抽样检测范畴，因而对焊接结构的服 役带来一定安全隐患，且该类方法不能是实现焊接应力的快速、方便及在线评价等，这也在 一定程度上限制了该类方法的推广应用;无损法以保证焊接结构完整性为前提，通过对与 焊接应力相互响应的信号进行分析，提取并建立焊接应力与其特征参量间关联而实现应力 评价的一类方法，如声学法、光学法、射线法等。相比较而言，超声波法具有无损、快速、安 全、方便、设备价格便宜、可实现在线检测等优点，因而在应力评价领域引起众多学者的广 泛关注。
[0004] 超声波声弹性理论表明，超声波传播速度与应力间存在关联性，因而通过建立超 声波传播速度与应力间对应关系即可实现应力的无损评价。但相关研究表明，超声波传播 速度对应力变化并不敏感，lOOMPa应力使得超声波在铝中传播速度该变量为0.1%，因而超 声波传播速度的精确测量对超声波评价应力结果精度就极为重要，而超声波传播速度的精 确测量难度非常大。此外，超声波波动理论表明，焊缝组织结构是影响超声波评价应力精度 的重要因素，而各区域晶粒尺寸不同是焊接接头组织结构的明显特征之一，因而实现不同 晶粒尺寸区域应力的精确评价对焊接应力精度保证就显得极为重要。鉴于此，在超声波评 价应力理论基础上，探讨并建立一套行之有效的晶粒尺寸影响超声波评价应力的修正方法 体系不仅可为焊接结构服役可靠性评价提供技术支持，而且对减少焊接结构服役安全隐患 也至关重要。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是解决目前焊接应力评价技术及其在应用中的不足，提出一种晶粒 尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法。
[0006] 超声波声弹性理论是超声波评价应力技术的理论基础，但超声波传播速度对应力 变化并不敏感，为此本发明以超声波通过相同距离所需传播时间差，即超声波信号间时间 差，取代超声波传播速度作为评价应力的特征参量，在超声波信号间时间差与加载应力对 应关系研究基础上，建立超声波声弹性系数与晶粒尺寸间的对应关系，进而实现晶粒尺寸 影响超声波评价材料应力的修正。
[0007] 晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法，具体步骤如下：
[0008] 步骤一，选定待评价材料，结合合金相图制定热处理工艺，通过热处理方法获得不 同晶粒尺寸的试样(数量不少于4组）。
[0009] 步骤二，调节超声波信号激发参数，依次改变超声波在试样中的传播距离(传播距 离不大于300mm)，提取并建立各试样超声波信号幅值与其对应传播距离间对应关系，在此 基础上结合超声波能量衰减确定最佳超声波传播距离，并制作传播距离恒定的双超声波探 头。
[0010] 步骤三，结合静载拉伸国家标准，测量各试样的力学性能，利用超声波声弹性系数 标定实验，采集固定间隔应力时各晶粒尺寸试样的超声波信号，计算并建立各晶粒尺寸试 样超声波信号间时间差与加载应力的对应关系。
[0011] 步骤四，基于超声波声弹性理论，采用式（1)的线性函数，对各晶粒尺寸试样的超 声波信号间时间差与加载应力进行拟合，得到各晶粒尺寸试样的超声波声弹性公式；
[0012] At=k ? 〇 (1)
[0013]式中，At为超声波信号间时间差，k为超声波声弹性系数，〇为加载应力。
[0014]步骤五，建立试样超声波声音弹性系数与其晶粒尺寸的对应关系，采用式(2)的幂 函数，对超声波声弹性系数与其晶粒尺寸进行拟合，获得晶粒尺寸影响超声波声弹性系数 的修正公式；
[0015] k = x ? dy (2)
[0016] 式中，x，y为系数，k为超声波声弹性系数，d为晶粒尺寸。
[0017]步骤六，以晶粒尺寸最小试样的未加载超声波信号为参考信号，其余试样的未加 载超声波信号为计算信号，获得参考信号与各计算信号间时间差，通过多项式函数对上述 超声波信号间时间差与晶粒尺寸差进行拟合，见式(3);
[0018] At=m ? Adn (3)
[0019] 式中，m，n为系数，A t为超声波彳目号间时间差，A d为晶粒尺寸差。
[0020] 步骤七，测量待评价材料晶粒尺寸，代入式（1)计算得到其超声波声弹性公式;计 算待评价材料晶粒尺寸与最小晶粒尺寸(热处理试样)差值，并代入式(3)计算其相应的超 声波信号间时间差。
[0021] 步骤八，采集待评价材料超声波信号，计算其与最小晶粒尺寸试样超声波信号间 时间差，与步骤七中超声波信号间时间差叠加，最后代入其超声波声弹性公式得到待评价 材料的应力值，即完成晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正。
[0022] 该方法基于超声波在试样中能量衰减分析，制备传播距离恒定的双超声波探头， 采用热处理方式获得不同晶粒尺寸的试样，通过超声波声弹性系数标定实验，计算并建立 各晶粒尺寸试样超声波信号间时间差与应力间关系，采用线性拟合函数获得各晶粒尺寸试 样的超声波声弹性系数，通过幂函数拟合获得超声波声弹性系数与晶粒尺寸间函数，进而 实现晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正。
[0023] 本发明为晶粒尺寸影响材料应力的评价提供了一种无损方法，具有快速、方便、安 全，可实现在线评价等优点。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的流程图；
[0025]图2为本发明Q235钢S1-S6试样金相照片；从S1到S6,晶粒尺寸由小到大，分别为 14.1、17.2、20.9、22.4、29.2与36.5_。
[0026]图3为本发明Q235钢S1-S6试样超声波声弹性系数与晶粒尺寸差曲线;随晶粒尺寸 增大，超声波声弹性系数逐渐减小。
[0027]图4为本发明Q235钢S2-S6试样与S1试样的超声波信号间时间差与晶粒尺寸差曲 线。随晶粒尺寸差增大，超声波信号间时间差逐渐变大。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前 提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实 施例。
[0029] 实施例1
[0030] 选择Q235钢为例对晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法进行描述，具体 过程如下：
[0031 ] 1.选择Q235钢作为评价对象，结合Fe-c二元合金相图制定热处理工艺曲线，并获 得六组不同晶粒尺寸的Q235钢试样，分别标记为Sl-S6(图1所示）。其热处理工艺及各试样 晶粒尺寸详见表1。
[0032]表1 Q235钢热处理工艺参数及其晶粒尺寸
[0034]步骤二，优化超声波信号激发参数，每间隔20mm依次采集S1-S6试样的超声波信 号，提取各传播距离超声波接收信号幅值，建立超声波接收信号幅值与其传播距离间对应 关系，在此基础上计算超声波接收信号幅值降低为最大值60%对应的超声波传播距离，并 以此制备距离恒定的双超声波探头。
[0035]步骤三，测定S1~S6试样的屈服应力，依据其屈服应力设定各试样的应力加载程 序(最高加载应力小于240MPa)，利用双超声波探头(压力恒定)采集S1-S6试样的超声波信 号(加载应力间隔为25MPa，加载应力达到预定值后的保载时间为30s)，定义未加载时超声 波信号为参考信号，各加载超声波信号为计算信号，计算并建立S1~S6试样超声波信号间 时间差(各计算信号与参考信号间时间差)与加载应力间对应关系。
[0036] 步骤四，采用式（1)对S1~S6试样超声波信号间时间差与加载应力结果(线性变化 阶段)进行拟合；
[0037] At = k ? 〇 (1)
[0038] 式中，At为超声波信号间时间差，k为超声波声弹性系数，〇为加载应力;得到S1~ S6试样的超声波声弹性公式，见式(4); A/^ = 0.182 ? (J A^s2 - 0,172 *cr A/j3 =0.157-cj
[0039] < - QA41 -a (4) A/j5 = 0.133 ? c A/f6 = 0.121 ? cr
[0040] 步骤五，提取并建立SI~S6试样超声波声弹性系数与晶粒尺寸间对应关系，采用 式(2)函数对该对应关系进行拟合；
[0041] k = x ? dy (2)
[0042] 式中，x，y为系数，k为超声波声弹性系数，d为晶粒尺寸;获得超声波声弹性系数与 晶粒尺寸间关系式，见式(5);
[0043] k = 0.5749 .d-Q.4445 (5)
[0044] 步骤六，提取并计算未加载时S2~S6试样超声波信号与S1试样超声波信号间时间 差，建立该超声波信号间时间差与其对应晶粒尺寸差的对应关系，通过式(3)获得超声波信 号间时间差与晶粒尺寸差间关系式，见式(6);
[0045] At=m ? Adn (3)
[0046] At = 2.0497 ? Ad0'4432 ( 6)
[0047]步骤七，计算待评价材料晶粒尺寸为25.2mi，代入式(5)得到其响应的超声波声弹 性公式，见式(7)，测量并计算待评价材料晶粒尺寸与S1试样晶粒尺寸差为11. lwii，代入式 (6)计算晶粒尺寸差引起的超声波信号间时间差为5.9563ns。
[0048] At = 0.137〇 (7)
[0049]步骤八，采集待评价材料超声波信号，计算其与S1试样超声波信号间时间差为 22.4ns，与由式(6)得到的超声波信号间时间差线性叠加为16.4437ns，并代入式(7)得到待 评价试样的应力值为120MPa。如未对晶粒尺寸的影响进行修正，则应力值为164MPa，最终实 现晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正。
【主权项】
1. 一种晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 选定待评价材料，制定热处理工艺，获得不同晶粒尺寸的试样； (2) 以试样超声波接收信号幅值为评价参数，建立不同晶粒尺寸试样超声波接收信号 幅值与其对应的超声波传播距离间的关系，基于超声波能量衰减优化超声波最佳传播距 离，并制作传播距离固定不变的双超声波探头； (3) 结合各晶粒尺寸试样力学性能，通过静载拉伸标定实验采集不同应力时各晶粒尺 寸试样的超声波信号，计算并建立各晶粒尺寸试样的超声波信号间时间差与加载应力的对 应关系； (4) 基于超声波声弹性理论对各晶粒尺寸试样的超声波信号间时间差与加载应力结果 进行拟合，获得各晶粒尺寸试样的超声波声弹性公式，式(1)， At=k·〇 ⑴ 式中，A t为超声波信号间时间差，k为超声波声弹性系数，σ为加载应力； (5) 测量并建立超声波声弹性系数与其对应晶粒尺寸间的对应关系，采用最优函数对 其拟合，获得超声波声弹性系数与晶粒尺寸拟合公式，式(2); k = x · dy (2) 式中，X，y为系数，k为超声波声弹性系数，d为晶粒尺寸； (6) 由各晶粒尺寸试样的超声波信号选定参考信号与计算信号，计算参考信号与各计 算信号间的时间差，通过多项式函数对上述超声波信号间时间差与晶粒尺寸差进行拟合， 见式(3); Δ?=ηι · Adn (3) 式中，m,η为系数，Δ t为超声波彳目号间时间差，Δ d为晶粒尺寸差； (7) 测量待评价材料晶粒尺寸，代入式（1)计算得到其超声波声弹性公式，计算待评价 材料晶粒尺寸与最小晶粒尺寸差值，并代入式(3)计算其相应的超声波信号间时间差； (8) 采集待评价材料的超声波信号，计算其与步骤(7)中选定晶粒尺寸试样的超声波信 号间时间差，与步骤(7)中超声波信号间时间差叠加，最后代入其超声波声弹性公式得到待 评价材料的应力值，完成晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正。2. 根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法，其特征在于 步骤(1)中试样数量不少于4组。3. 根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法，其特征在于 步骤（2)中最佳传播距离是超声波接收信号幅值降低为最大值60%对应的超声波传播距 离。4. 根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法，其特征在于 步骤(3)中最高加载应力小于240MPa。5. 根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价材料应力的修正方法，其特征在于 步骤(3)加载应力间隔为25MPa，加载应力达到预定值后的保载时间为30s。
【文档编号】G01N29/44GK105891340SQ201610391985
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】刘彬, 缪文炳, 吴绪磊, 李瑞峰
【申请人】江苏科技大学