CN106680372A - 一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应力影响超声波评价材料晶粒尺寸的修正方法，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，制备间距恒定的双超声波探头，通过热处理方式获得不同晶粒尺寸的试样，计算并建立超声波信号间时间差与晶粒尺寸差间对应关系，借助超声波声弹性系数标定实验计算并建立超声波声弹性系数与晶粒尺寸间对应关系，进而实现应力影响超声波信号间时间差的修正，建立超声波信号间时间差修正值与晶粒尺寸差间关系，基于多项式拟合函数获得应力影响超声波评价材料晶粒尺寸的修正公式。本发明为材料晶粒尺寸的评价提供了一种无损方法，不仅解决了传统晶粒尺寸评价方法存在的不足，而且具有快速、方便、安全等优点。

Description

一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法
技术领域
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应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法。
背景技术
机械装备服役可靠性是保证和推动机械装备高效、安全融入市场循环的关键，因而机械装备服役可靠性的保证对推动机械装备在工业领域的应用就显得极为重要。目前，机械装备服役可靠性的评价多是采用间接方法进行。相关研究表明，对影响机械装备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。结合目前研究可知，影响机械装备服役可靠性的因素众多，机械装备材料的晶粒尺寸是影响其服役可靠性的重要因素之一，为此国内外学者对其进行了大量实验与理论研究，但主要集中于晶粒尺寸细化的相关研究，如：①采用物理或化学方法提高质点形核率，通过细化晶粒尺寸提高机械装备的服役可靠性；②通过晶粒尺寸变化改善脆性化合物在组织中的分布状态，提高机械装备的服役可靠性。上述方法虽可在一定程度上提高机械装备的服役可靠性，但并未实现材料晶粒尺寸的直接评价，因而对机械装备的服役安全带来一定隐患。
目前，材料晶粒尺寸的评价主要指晶粒平均尺寸的评价，其评价方法可分为无损法与有损法两类。有损法是在破坏机械装备完整性基础上实现晶粒尺寸的评价，如金相法。该类方法虽可实现晶粒尺寸的评价，但属于小样品抽样检测范畴，因而对机械装备服役安全带来一定隐患，且该类方法不能实现晶粒尺寸的快速、在线评价，这也在一定程度上限制了该类方法在工业领域的推广应用；无损法以保证机械装备完整性为前提，通过对其电、声、磁等信号分析，提取并建立晶粒尺寸与其特征参量间关联而实现晶粒尺寸评价的一类方法。相比而言，超声波法具有快速、安全、方便、设备价格便宜、可实现在线检测等优点，因而在材料晶粒尺寸评价领域引起众多学者的广泛关注。
固体介质中超声波波动理论表明，材料晶粒尺寸与超声波传播速度间存在一定关联性，通过建立超声波传播速度与晶粒尺寸间关系即可实现晶粒尺寸的无损评价。但相关研究表明，超声波传播速度对晶粒尺寸变化并不敏感，因而超声波传播速度的精确测量对其评价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。鉴于此，探讨可替代超声波传播速度的特征参量并建立一套行之有效的超声波评价材料晶粒尺寸方法不仅可为机械装备服役可靠性评价提供技术支持，而且对减少机械装备的服役安全隐患也至关重要。
发明内容
本发明目的是解决或改善现有材料晶粒尺寸评价技术及其在应用中的不足，提出一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法。
针对超声波传播速度对金属材料晶粒尺寸变化不敏感这一问题，本发明以超声波通过相同距离所需传播时间差取代超声波传播速度，并作为评价晶粒尺寸的特征参量，通过建立超声波信号间时间差与晶粒尺寸差间关系实现材料晶粒尺寸的无损评价。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，包括如下步骤：
步骤一，选定待评价材料，基于材料成分分析，结合合金相图制定热处理工艺曲线(包括加热速率、最高加热温度、保温时间与冷却速率)，通过真空热处理方法获得六组不同晶粒尺寸的材料，并标记为S1-S6，其参考试样由初始材料制备得到。
步骤二，选定超声波中心频率介于2～10MHz之间，调节并固定超声波信号激发参数，依次改变超声波在S1-S6试样中的传播距离(传播距离不大于300mm)，采集并提取各试样的超声波接收信号幅值，建立不同中心频率时超声波信号幅值与传播距离间的对应关系，结合超声波接收信号幅值能量衰减(不小于40％)确定其最佳传播距离，并以此制作传播距离恒定的双超声波探头。
步骤三，通过双超声波探头采集S1-S6试样与参考试样超声波信号，计算S1-S6试样超声波接收信号(计算信号)与参考试样超声波接收信号(参考信号)间时间差，测量并计算S1-S6试样与参考试样晶粒尺寸差，建立超声波信号间时间差与晶粒尺寸差间对应关系。
步骤四，测量S1-S6试样应力值，对应力影响超声波信号间时间差进行修正，具体步骤如下：
i.结合静载拉伸试样国家标准制备参考试样的静载拉伸试样，测定参考试样的力学性能；
ii.设定参考试样最大加载载荷不大于其弹性应力极限值，采集并计算各载荷超声波接收信号与未加载时超声波接收信号间时间差，建立超声波信号间时间差与试样加载应力的对应关系；
iii.采用线性函数式y＝a·x(1)，对参考试样超声波信号间时间差-应力结果进行拟合，得到参考试样的超声波声弹性公式，见下式(2)；
Δt＝k·σ (2)
式中，Δt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。
iv.测量待评价试样的残余应力，并计算其与参考试样间应力差值，静儿代入式(2)，计算得到与其对应的超声波信号间时间差，代入并对步骤(3)中超声波信号间时间差进行修正(采用线性函数进行修正)。
步骤五，采用多项式函数对修正后步骤(3)中超声波信号间时间差与试样晶粒尺寸差进行拟合，获得超声波信号间时间差与试样建立尺寸差间关系式，见下式(3)；
Δt'＝a·Δdn+b·Δdn-1+c·Δdn-2+......x·Δd+C (3)
式中，a,b,c,d……x为系数，Δt′为超声波信号间时间差修正值，Δd为晶粒尺寸差，C为常数。
步骤六，采集待评价金属材料超声波信号，计算其与参考信号间时间差，代入式(3)，得到待评价金属材料与参考试样间晶粒尺寸差，进而与参考试样晶粒尺寸叠加，最终获得其晶粒尺寸值。
进一步，上述步骤(1)中所述参考试样为原始试样，且经过真空去应力退火热处理。
进一步，上述步骤(1)中所述S1-S6试样经过真空去应力退火热处理，该热处理工艺与参考试样热处理工艺相同，其残余应力值与参考试样的残余应力值间的差别忽略不计。
进一步，上述步骤(2)中所述优化的方法是以试样超声波接收信号幅值为评价参数，实现超声波探头中心频率及传播距离的优化。
进一步，上述步骤(3)中还通过采用特制的超声波探头夹具实现超声波探头与试样间耦合压力的调控，进而避免超声波信号幅值对评价结果的影响。
进一步，上述步骤(4)中还通过采用超声波技术实现应力差影响超声波信号间时间差的计算。
进一步，上述步骤(4)中还通过采用线性函数对符合线性规律的结果按下式进行拟合：
y＝a·x
进一步，上述步骤(5)中通过线性叠加方式实现步骤(3)中超声波信号间时间差的修正，且线性叠加的正负号取决于待评价试样与参考试样间应力差值的正负。
本发明以超声波通过相同距离所需传播时间差取代超声波传播速度，并作为评价金属材料晶粒尺寸的特征参量，通过建立超声波信号间时间差与晶粒尺寸差间关系实现了金属材料晶粒尺寸的无损评价和应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正。不仅解决了传统晶粒尺寸评价方法存在的不足，而且具有快速、方便、安全等优点。
附图说明
图1为本发明的应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法流程图；
图2为本发明Q235钢S1-S6试样金相照片图；
图3为本发明Q235钢S1-S6试样超声波信号；
图4为本发明Q235钢S1-S6试样超声波信号间时间差与晶粒尺寸差曲线图。
具体实施方式
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。
参见图1所示，选择Q235钢为例对应力影响超声波评价材料晶粒尺寸的修正方法进行描述，超声波信号间时间差与晶粒尺寸间对应关系得到过程如下：
步骤一，以Q235钢为研究对象，测试其主要化学元素成分C：0.14～0.22％、Mn：0.30～0.65％、Si≤0.30％、S≤0.50％、P≤0.045％，结合Fe-C二元相图制定热处理工艺，获得六组不同晶粒尺寸的Q235钢试样，分别标记为S1-S6。S1-S6试样的真空热处理工艺参数及其晶粒尺寸见下表1，金相组织见图2。
表1 Q235钢热处理工艺参数及晶粒尺寸
步骤二，选择超声波中心频率为2.5MHz与5MHz，调节并固定超声波信号激发参数，每间隔20mm采集一次S1-S6试样的超声波信号，直至超声波信号消失，提取各传播距离的超声波信号幅值，建立中心频率为2.5MHz与5MHz时超声波信号幅值与其传播距离间关系，在此基础上计算超声波信号幅值衰减为最大值60％对应的超声波传播距离，作为超声波传播最佳距离，并制作距离恒定的双超声波探头。
步骤三，利用双超声波探头采集S1-S6试样与参考试样的超声波信号，见图3，以超声波接收信号间时间差作为评价晶粒尺寸的特征参量，依次计算S1-S6试样超声波接收信号(计算信号)与参考试样超声波接收信号(参考信号)间时间差，测量并计算S1-S6试样与参考试样晶粒尺寸差。
步骤四，测量S1-S6试样应力值，对应力影响超声波信号间时间差进行修正，具体步骤如下：
i.结合GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸标准制备参考试样的静载拉伸试样，并测定参考试样的力学性能(以弹性应力极限值为主)；
ii.依据参考试样弹性应力极限值设定试样加载程序，其最高加载应力小于300MPa，每间隔25MPa采集试样的超声波信号，计算各加载应力的超声波信号与未加载应力的超声波信号间时间差，建立超声波信号间时间差与加载应力间对应关系；
iii.采用式(1)对参考试样超声波信号间时间差与加载应力结果进行拟合，得到参考试样的超声波声弹性公式，见下式(4)；
Δt＝0.187·σ (4)
iv.测量并计算待评价试样与参考试样应力值间的差值，代入式(4)得到与其对应的超声波信号间时间差，对步骤(3)中超声波信号间时间差进行线性修正，见下表2；
表2待评价试样与参考试样的应力差
步骤五，采用式(3)对步骤(3)中超声波信号间时间差修正值与晶粒尺寸差，进行拟合，见图4，获得超声波信号间时间差与试样晶粒尺寸差间关系式，见下式(5)；
Δt'＝0.0011Δd3-0.0779Δd2+1.9637Δd-0.315 (5)
步骤六，采集待评价Q235钢超声波信号，计算其与参考信号间时间差为11.2ns，代入式(5)，得到待评价Q235钢与其参考试样间晶粒尺寸差为8.25μm，与参考试样晶粒尺寸12.6μm进行叠加，最终获得待评价Q235钢试样晶粒尺寸为20.85μm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选定待评价金属材料试样，制备参考试样，基于试样元素成分分析，通过合金相图制定并优化热处理工艺，进而获得不同晶粒尺寸的试样，并分别标记为S1-S6；
(2)改变超声波中心频率，并建立不同中心频率时S1-S6试样超声波接收信号幅值与超声波传播距离间的对应关系，进而优化超声波探头中心频率及其传播距离，制作传播距离固定不变的双超声波探头；
(3)依次采集S1-S6试样与参考试样的超声波信号，并定义参考试样超声波信号为参考信号，分别计算S1-S6试样超声波信号与参考信号间的时间差，且测量S1-S6试样与参考试样晶粒尺寸间差；
(4)测量待评价试样的应力值，对应力影响超声波信号间时间差进行修正，具体步骤如下：
i.结合静载拉伸实验测量参考试样的静载拉伸力学性能；
ii.以参考试样弹性应力极限作为最高加载应力，设定加载程序，结合静载拉伸标定实验，采集并计算各应力时参考试样超声波信号间时间差，进而建立超声波信号间时间差与应力间对应关系；
iii.采用线性函数对超声波信号间时间差与应力结果进行拟合，得到参考试样的超声波声弹性公式；
iv.测量待评价试样与参考试样间的应力差，通过参考试样的超声波声弹性公式计算该应力差引起的超声波信号间时间差，进而对步骤(3)中超声波信号间时间差进行修正；
(5)采用拟合函数对步骤(3)中超声波信号间时间差修正值与晶粒尺寸差值进行拟合，获得超声波信号间时间差修正值与晶粒尺寸差间得关系式；
(6)采集待评价金属材料的超声波信号，计算其与参考信号间的时间差，并代入式步骤(5)中拟合公式计算晶粒尺寸的差值，进而与参考试样晶粒尺寸进行叠加，最终获得待评价试样的晶粒尺寸。
2.如权利要求1所述的一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，步骤(1)中所述参考试样为原始试样，且经过真空去应力退火热处理。
3.如权利要求1所述的一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，步骤(1)中所述S1-S6试样经过真空去应力退火热处理，该热处理工艺与参考试样热处理工艺相同，其残余应力值与参考试样的残余应力值间的差别忽略不计。
4.如权利要求1所述的一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，步骤(2)中所述优化的方法是以试样超声波接收信号幅值为评价参数，实现超声波探头中心频率及传播距离的优化。
5.如权利要求1所述的一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，步骤(3)中还通过采用特制的超声波探头夹具实现超声波探头与试样间耦合压力的调控，进而避免超声波信号幅值对评价结果的影响。
6.如权利要求1所述的一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，步骤(4)中还通过采用超声波技术实现应力差影响超声波信号间时间差的计算。
7.如权利要求1所述的一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，步骤(4)中还通过采用线性函数对符合线性规律的结果按下式(1)进行拟合：
y＝a·x (1) 。
8.如权利要求1所述的一种应力影响超声波评价金属材料晶粒尺寸的修正方法，其特征在于，步骤(5)中通过线性叠加方式实现步骤(3)中超声波信号间时间差的修正，且线性叠加的正负号取决于待评价试样与参考试样间应力差值的正负。
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Application publication date: 20170517

Assignee: Aviation High Quality Materials (Zhenjiang) Supplementary Manufacturing Co.,Ltd.

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

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Denomination of invention: A correction method of stress effect on ultrasonic evaluation of metal material grain size

Granted publication date: 20200331

License type: Common License

Record date: 20201029

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Contract record no.: X2020980007283

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Effective date of registration: 20230725

Address after: 510799 In the Ship Repair Plant of Guangzhou Ocean Shipping Company, Shuangshawei, Huangpu, Guangzhou, Guangdong Province

Patentee after: ZHONGXING OCEAN AND CONTINENT ENGINEERING CO.,LTD.

Address before: 212003, No. 2, Mengxi Road, Zhenjiang, Jiangsu

Patentee before: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

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