本發(fā)明屬于超聲波無(wú)損評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及的是一種應(yīng)力影響超聲波評(píng)價(jià)金屬材料晶粒尺寸的修正方法。

背景技術(shù)：

機(jī)械裝備服役可靠性是保證和推動(dòng)機(jī)械裝備高效、安全融入市場(chǎng)循環(huán)的關(guān)鍵，因而機(jī)械裝備服役可靠性的保證對(duì)推動(dòng)機(jī)械裝備在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用就顯得極為重要。目前，機(jī)械裝備服役可靠性的評(píng)價(jià)多是采用間接方法進(jìn)行。相關(guān)研究表明，對(duì)影響機(jī)械裝備服役可靠性的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)其服役可靠性保證的一種行之有效途徑。結(jié)合目前研究可知，影響機(jī)械裝備服役可靠性的因素眾多，機(jī)械裝備材料的晶粒尺寸是影響其服役可靠性的重要因素之一，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與理論研究，但主要集中于晶粒尺寸細(xì)化的相關(guān)研究，如：①采用物理或化學(xué)方法提高質(zhì)點(diǎn)形核率，通過(guò)細(xì)化晶粒尺寸提高機(jī)械裝備的服役可靠性；②通過(guò)晶粒尺寸變化改善脆性化合物在組織中的分布狀態(tài)，提高機(jī)械裝備的服役可靠性。上述方法雖可在一定程度上提高機(jī)械裝備的服役可靠性，但并未實(shí)現(xiàn)材料晶粒尺寸的直接評(píng)價(jià)，因而對(duì)機(jī)械裝備的服役安全帶來(lái)一定隱患。

目前，材料晶粒尺寸的評(píng)價(jià)主要指晶粒平均尺寸的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)方法可分為無(wú)損法與有損法兩類。有損法是在破壞機(jī)械裝備完整性基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的評(píng)價(jià)，如金相法。該類方法雖可實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的評(píng)價(jià)，但屬于小樣品抽樣檢測(cè)范疇，因而對(duì)機(jī)械裝備服役安全帶來(lái)一定隱患，且該類方法不能實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的快速、在線評(píng)價(jià)，這也在一定程度上限制了該類方法在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用；無(wú)損法以保證機(jī)械裝備完整性為前提，通過(guò)對(duì)其電、聲、磁等信號(hào)分析，提取并建立晶粒尺寸與其特征參量間關(guān)聯(lián)而實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸評(píng)價(jià)的一類方法。相比而言，超聲波法具有快速、安全、方便、設(shè)備價(jià)格便宜、可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因而在材料晶粒尺寸評(píng)價(jià)領(lǐng)域引起眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。

固體介質(zhì)中超聲波波動(dòng)理論表明，材料晶粒尺寸與超聲波傳播速度間存在一定關(guān)聯(lián)性，通過(guò)建立超聲波傳播速度與晶粒尺寸間關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的無(wú)損評(píng)價(jià)。但相關(guān)研究表明，超聲波傳播速度對(duì)晶粒尺寸變化并不敏感，因而超聲波傳播速度的精確測(cè)量對(duì)其評(píng)價(jià)結(jié)果精度就極為重要，而超聲波傳播速度的精確測(cè)量難度非常大。鑒于此，探討可替代超聲波傳播速度的特征參量并建立一套行之有效的超聲波評(píng)價(jià)材料晶粒尺寸方法不僅可為機(jī)械裝備服役可靠性評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持，而且對(duì)減少機(jī)械裝備的服役安全隱患也至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是解決或改善現(xiàn)有材料晶粒尺寸評(píng)價(jià)技術(shù)及其在應(yīng)用中的不足，提出一種應(yīng)力影響超聲波評(píng)價(jià)金屬材料晶粒尺寸的修正方法。

針對(duì)超聲波傳播速度對(duì)金屬材料晶粒尺寸變化不敏感這一問(wèn)題，本發(fā)明以超聲波通過(guò)相同距離所需傳播時(shí)間差取代超聲波傳播速度，并作為評(píng)價(jià)晶粒尺寸的特征參量，通過(guò)建立超聲波信號(hào)間時(shí)間差與晶粒尺寸差間關(guān)系實(shí)現(xiàn)材料晶粒尺寸的無(wú)損評(píng)價(jià)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種應(yīng)力影響超聲波評(píng)價(jià)金屬材料晶粒尺寸的修正方法，包括如下步驟：

步驟一，選定待評(píng)價(jià)材料，基于材料成分分析，結(jié)合合金相圖制定熱處理工藝曲線(包括加熱速率、最高加熱溫度、保溫時(shí)間與冷卻速率)，通過(guò)真空熱處理方法獲得六組不同晶粒尺寸的材料，并標(biāo)記為S1-S6，其參考試樣由初始材料制備得到。

步驟二，選定超聲波中心頻率介于2～10MHz之間，調(diào)節(jié)并固定超聲波信號(hào)激發(fā)參數(shù)，依次改變超聲波在S1-S6試樣中的傳播距離(傳播距離不大于300mm)，采集并提取各試樣的超聲波接收信號(hào)幅值，建立不同中心頻率時(shí)超聲波信號(hào)幅值與傳播距離間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合超聲波接收信號(hào)幅值能量衰減(不小于40％)確定其最佳傳播距離，并以此制作傳播距離恒定的雙超聲波探頭。

步驟三，通過(guò)雙超聲波探頭采集S1-S6試樣與參考試樣超聲波信號(hào)，計(jì)算S1-S6試樣超聲波接收信號(hào)(計(jì)算信號(hào))與參考試樣超聲波接收信號(hào)(參考信號(hào))間時(shí)間差，測(cè)量并計(jì)算S1-S6試樣與參考試樣晶粒尺寸差，建立超聲波信號(hào)間時(shí)間差與晶粒尺寸差間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

步驟四，測(cè)量S1-S6試樣應(yīng)力值，對(duì)應(yīng)力影響超聲波信號(hào)間時(shí)間差進(jìn)行修正，具體步驟如下：

i.結(jié)合靜載拉伸試樣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備參考試樣的靜載拉伸試樣，測(cè)定參考試樣的力學(xué)性能；

ii.設(shè)定參考試樣最大加載載荷不大于其彈性應(yīng)力極限值，采集并計(jì)算各載荷超聲波接收信號(hào)與未加載時(shí)超聲波接收信號(hào)間時(shí)間差，建立超聲波信號(hào)間時(shí)間差與試樣加載應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

iii.采用線性函數(shù)式y(tǒng)＝a·x(1)，對(duì)參考試樣超聲波信號(hào)間時(shí)間差-應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行擬合，得到參考試樣的超聲波聲彈性公式，見(jiàn)下式(2)；

Δt＝k·σ (2)

式中，Δt為超聲波信號(hào)間時(shí)間差，k為超聲波聲彈性系數(shù)，σ為加載應(yīng)力。

iv.測(cè)量待評(píng)價(jià)試樣的殘余應(yīng)力，并計(jì)算其與參考試樣間應(yīng)力差值，靜兒代入式(2)，計(jì)算得到與其對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)間時(shí)間差，代入并對(duì)步驟(3)中超聲波信號(hào)間時(shí)間差進(jìn)行修正(采用線性函數(shù)進(jìn)行修正)。

步驟五，采用多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)修正后步驟(3)中超聲波信號(hào)間時(shí)間差與試樣晶粒尺寸差進(jìn)行擬合，獲得超聲波信號(hào)間時(shí)間差與試樣建立尺寸差間關(guān)系式，見(jiàn)下式(3)；

Δt'＝a·Δdⁿ+b·Δd^n-1+c·Δd^n-2+......x·Δd+C (3)

式中，a,b,c,d……x為系數(shù)，Δt′為超聲波信號(hào)間時(shí)間差修正值，Δd為晶粒尺寸差，C為常數(shù)。

步驟六，采集待評(píng)價(jià)金屬材料超聲波信號(hào)，計(jì)算其與參考信號(hào)間時(shí)間差，代入式(3)，得到待評(píng)價(jià)金屬材料與參考試樣間晶粒尺寸差，進(jìn)而與參考試樣晶粒尺寸疊加，最終獲得其晶粒尺寸值。

進(jìn)一步，上述步驟(1)中所述參考試樣為原始試樣，且經(jīng)過(guò)真空去應(yīng)力退火熱處理。

進(jìn)一步，上述步驟(1)中所述S1-S6試樣經(jīng)過(guò)真空去應(yīng)力退火熱處理，該熱處理工藝與參考試樣熱處理工藝相同，其殘余應(yīng)力值與參考試樣的殘余應(yīng)力值間的差別忽略不計(jì)。

進(jìn)一步，上述步驟(2)中所述優(yōu)化的方法是以試樣超聲波接收信號(hào)幅值為評(píng)價(jià)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)超聲波探頭中心頻率及傳播距離的優(yōu)化。

進(jìn)一步，上述步驟(3)中還通過(guò)采用特制的超聲波探頭夾具實(shí)現(xiàn)超聲波探頭與試樣間耦合壓力的調(diào)控，進(jìn)而避免超聲波信號(hào)幅值對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

進(jìn)一步，上述步驟(4)中還通過(guò)采用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力差影響超聲波信號(hào)間時(shí)間差的計(jì)算。

進(jìn)一步，上述步驟(4)中還通過(guò)采用線性函數(shù)對(duì)符合線性規(guī)律的結(jié)果按下式進(jìn)行擬合：

y＝a·x

進(jìn)一步，上述步驟(5)中通過(guò)線性疊加方式實(shí)現(xiàn)步驟(3)中超聲波信號(hào)間時(shí)間差的修正，且線性疊加的正負(fù)號(hào)取決于待評(píng)價(jià)試樣與參考試樣間應(yīng)力差值的正負(fù)。

本發(fā)明以超聲波通過(guò)相同距離所需傳播時(shí)間差取代超聲波傳播速度，并作為評(píng)價(jià)金屬材料晶粒尺寸的特征參量，通過(guò)建立超聲波信號(hào)間時(shí)間差與晶粒尺寸差間關(guān)系實(shí)現(xiàn)了金屬材料晶粒尺寸的無(wú)損評(píng)價(jià)和應(yīng)力影響超聲波評(píng)價(jià)金屬材料晶粒尺寸的修正。不僅解決了傳統(tǒng)晶粒尺寸評(píng)價(jià)方法存在的不足，而且具有快速、方便、安全等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的應(yīng)力影響超聲波評(píng)價(jià)金屬材料晶粒尺寸的修正方法流程圖；

圖2為本發(fā)明Q235鋼S1-S6試樣金相照片圖；

圖3為本發(fā)明Q235鋼S1-S6試樣超聲波信號(hào)；

圖4為本發(fā)明Q235鋼S1-S6試樣超聲波信號(hào)間時(shí)間差與晶粒尺寸差曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

參見(jiàn)圖1所示，選擇Q235鋼為例對(duì)應(yīng)力影響超聲波評(píng)價(jià)材料晶粒尺寸的修正方法進(jìn)行描述，超聲波信號(hào)間時(shí)間差與晶粒尺寸間對(duì)應(yīng)關(guān)系得到過(guò)程如下：

步驟一，以Q235鋼為研究對(duì)象，測(cè)試其主要化學(xué)元素成分C：0.14～0.22％、Mn：0.30～0.65％、Si≤0.30％、S≤0.50％、P≤0.045％，結(jié)合Fe-C二元相圖制定熱處理工藝，獲得六組不同晶粒尺寸的Q235鋼試樣，分別標(biāo)記為S1-S6。S1-S6試樣的真空熱處理工藝參數(shù)及其晶粒尺寸見(jiàn)下表1，金相組織見(jiàn)圖2。

表1 Q235鋼熱處理工藝參數(shù)及晶粒尺寸

步驟二，選擇超聲波中心頻率為2.5MHz與5MHz，調(diào)節(jié)并固定超聲波信號(hào)激發(fā)參數(shù)，每間隔20mm采集一次S1-S6試樣的超聲波信號(hào)，直至超聲波信號(hào)消失，提取各傳播距離的超聲波信號(hào)幅值，建立中心頻率為2.5MHz與5MHz時(shí)超聲波信號(hào)幅值與其傳播距離間關(guān)系，在此基礎(chǔ)上計(jì)算超聲波信號(hào)幅值衰減為最大值60％對(duì)應(yīng)的超聲波傳播距離，作為超聲波傳播最佳距離，并制作距離恒定的雙超聲波探頭。

步驟三，利用雙超聲波探頭采集S1-S6試樣與參考試樣的超聲波信號(hào)，見(jiàn)圖3，以超聲波接收信號(hào)間時(shí)間差作為評(píng)價(jià)晶粒尺寸的特征參量，依次計(jì)算S1-S6試樣超聲波接收信號(hào)(計(jì)算信號(hào))與參考試樣超聲波接收信號(hào)(參考信號(hào))間時(shí)間差，測(cè)量并計(jì)算S1-S6試樣與參考試樣晶粒尺寸差。

步驟四，測(cè)量S1-S6試樣應(yīng)力值，對(duì)應(yīng)力影響超聲波信號(hào)間時(shí)間差進(jìn)行修正，具體步驟如下：

i.結(jié)合GB/T228.1-2010金屬材料室溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)制備參考試樣的靜載拉伸試樣，并測(cè)定參考試樣的力學(xué)性能(以彈性應(yīng)力極限值為主)；

ii.依據(jù)參考試樣彈性應(yīng)力極限值設(shè)定試樣加載程序，其最高加載應(yīng)力小于300MPa，每間隔25MPa采集試樣的超聲波信號(hào)，計(jì)算各加載應(yīng)力的超聲波信號(hào)與未加載應(yīng)力的超聲波信號(hào)間時(shí)間差，建立超聲波信號(hào)間時(shí)間差與加載應(yīng)力間對(duì)應(yīng)關(guān)系；

iii.采用式(1)對(duì)參考試樣超聲波信號(hào)間時(shí)間差與加載應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行擬合，得到參考試樣的超聲波聲彈性公式，見(jiàn)下式(4)；

Δt＝0.187·σ (4)

iv.測(cè)量并計(jì)算待評(píng)價(jià)試樣與參考試樣應(yīng)力值間的差值，代入式(4)得到與其對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)間時(shí)間差，對(duì)步驟(3)中超聲波信號(hào)間時(shí)間差進(jìn)行線性修正，見(jiàn)下表2；

表2待評(píng)價(jià)試樣與參考試樣的應(yīng)力差

步驟五，采用式(3)對(duì)步驟(3)中超聲波信號(hào)間時(shí)間差修正值與晶粒尺寸差，進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖4，獲得超聲波信號(hào)間時(shí)間差與試樣晶粒尺寸差間關(guān)系式，見(jiàn)下式(5)；

Δt'＝0.0011Δd³-0.0779Δd²+1.9637Δd-0.315 (5)

步驟六，采集待評(píng)價(jià)Q235鋼超聲波信號(hào)，計(jì)算其與參考信號(hào)間時(shí)間差為11.2ns，代入式(5)，得到待評(píng)價(jià)Q235鋼與其參考試樣間晶粒尺寸差為8.25μm，與參考試樣晶粒尺寸12.6μm進(jìn)行疊加，最終獲得待評(píng)價(jià)Q235鋼試樣晶粒尺寸為20.85μm。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的等效改變，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。