CN107389798B - 利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置及方法，它涉及一种检测金属材料半固态固相分数的装置及方法。利用金相分析法检测金属材料半固态固相分数的过程复杂且操作繁琐，在时间上具有严重的滞后性，不利于试验和生产实践中的检测。本发明的介质箱分别与两个支撑管相连通，超声波发射探头插入一个支撑管内，超声波接收探头插入另一个支撑管内，超声波接收探头和超声波发射探头分别通过超声波信号采集器与计算机相连接；本发明的方法包括七个步骤，利用公式V＝L/T求出超声波声速V，半固态固相分数与超声波声速之间线性关系的直线方程Q(％)＝kV+b，算出金属材料半固态进行固相分数Q。本发明用于在线检测金属材料半固态固相分数。

Description

利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料半固态固相分数的检测装置及方法，属于材料检测技术领域。
背景技术
金属材料半固态加工具有一系列的突出优点，尤其是金属半固态加工成形的零件精度高、质量好，能实现净近成形，成为金属加工成形技术的研究热点。金属材料半固态成形技术有两条工艺路线：流变成形和触变成形。无论采用哪种工艺都要解决半固态的流动性问题，因为流动性是影响浆料充型能力的最主要因素之一。为了使流变成形顺利完成，对部分凝固合金的流动性进行控制显得至关重要。在影响合金流动性的诸多因素中，固相分数是极其重要的指标。固相分数越低，半固态材料的液相含量越多，流动性越好。反之，固相分数越高，半固态材料的液相含量越少，流动性越差。
固相分数的测量方法主要有：利用热动力学数据、热力学分析技术、金相分析法以及力学机械方法等。热力学数据可以为合金设计提供指导，热力学分析技术则会提供合金热力学历史信息，金相分析技术则会揭示固相粒子在半固态浆料中的形貌和分布情况，而力学机械法则是通过测量压痕和挤压试验等方式获得半固态材料的机械性能从而得出相应的数据。这其中，金相分析法是目前最普遍使用的方法，因为采用水冷或其他快速冷却方式可以使半固态条件下的显微组织保留下来，利用二维金相组织照片可以测量固相粒子的尺寸、分布和体积分数等，所以金相分析法较之其它几种方法能够更精确地表征固相粒子在半固态浆料中的微观形态。其过程包括取样、迅速冷却、抛磨、腐蚀和显微观察等。但金相分析法是半固态试样进行冷却后微观组织的定量显微分析，检测分析过程较复杂，在时间上具有严重的滞后性，不利于试验和生产实践中的检测。
发明内容
本发明目的是为了解决利用金相分析法检测金属材料半固态固相分数的过程复杂且操作繁琐，在时间上具有严重的滞后性，不利于试验和生产实践中的检测的问题，进而提供一种利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置，包括介质箱1、超声波接收探头3、超声波信号采集器5、计算机6、超声波信号发射器7、半固态加热槽8、超声波发射探头9、加热元件10和两个支撑管2；
半固态加热槽8水平设置，半固态加热槽8内设置有半固态材料，半固态加热槽8的底部设置有加热元件10，半固态加热槽8的两端分别加工有第一测试口和第二测试口，两个支撑管2中的一个所述支撑管2设置在第一测试口处且二者相连通，两个支撑管2中的另一个所述支撑管2设置在第二测试口处且二者相连通，介质箱1内设置有耦合介质，介质箱1分别与两个支撑管2相连通，超声波发射探头9插入一个所述支撑管2内，超声波接收探头3插入另一个所述支撑管2内，超声波接收探头3和超声波发射探头9分别通过超声波信号采集器5与计算机6相连接，计算机6通过超声波信号发射器7给超声波发射探头9发送超声信号。
利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置还包括温度传感器4和温度控制器11，所述温度控制器11与温度传感器4相连接，温度传感器4的感温探头设置在半固态加热槽8内。
两个支撑管2均设置在探头架上。
利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：超声波接收探头3、超声波信号采集器5、计算机6、超声波信号发射器7和超声波发射探头9依次装配连接，将介质箱1、加热元件10和两个支撑管2分别与半固态加热槽8相连接；
步骤二：将超声波接收探头3和超声波发射探头9分别与两个支撑管2相连接，确保超声波接收探头3与其所在的支撑管2内的耦合介质相接触，同时确保超声波发射探头9与其所在的支撑管2内的耦合介质相接触；
步骤三：半固态检测：超声波发射探头9发射超声脉冲，依次穿过耦合介质、半固态加热槽壁以及半固态材料，到达超声波接收探头3；
步骤四：测出超声发射脉冲与接收脉冲之间的声时值T以及超声发射脉冲与接收脉冲之间的声程L，由公式V＝L/T求出超声波声速V；
步骤五：浇注半固态材料试样，进行金相分析：对半固态材料试样进行金相法加工后，根据被检测金属材料半固态的金相照片计算出固相分数值；
步骤六：把测出的超声波声速V与对应的由金相分析法得出的固相分数值进行回归数据处理，拟合成能反映半固态固相分数与超声波声速之间线性关系的直线方程Q＝kV+b，其中K为针对被检半固态的材料常数，b为检测半固态实验装置的系统常数，Q为被检半固态的固相分数；
步骤七：利用所建立的能反映不同材料半固态固相分数与超声波声速之间线性关系的直线方程Q＝kV+b，对其他具有相同合金成分的金属材料进行半固态固相分数在线超声检测，自动得到被检金属材料的半固态固相分数Q。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、本发明利用超声波快速检测金属半固态固相分数，克服了金相分析法需要经过取样、冷却、抛磨、腐蚀和显微观察操作，检测分析过程复杂，检测时间过长的缺点，提高了检测效率。
2、本发明检测金属材料半固态固相分数的过程简单易操作，用于在线检测。
3、本发明具有通用性，能够检测多种金属以及多种合金，适用的合金为铅锡合金、A365铝合金、AZ91D镁合金或其他种类的合金,适于推广使用。
附图说明
图1是本发明中的装置的主视结构示意图；
图2是超声波发射探头9与其对应的支撑管2之间连接关系的主视结构剖面图；
图3是AZ91D镁合金半固态固相分数与超声波声速对应关系拟合直线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括介质箱1、超声波接收探头3、超声波信号采集器5、计算机6、超声波信号发射器7、半固态加热槽8、超声波发射探头9、加热元件10和两个支撑管2；
半固态加热槽8水平设置，半固态加热槽8内设置有半固态材料，半固态加热槽8的底部设置有加热元件10，半固态加热槽8的两端分别加工有第一测试口和第二测试口，两个支撑管2中的一个所述支撑管2设置在第一测试口处且二者相连通，两个支撑管2中的另一个所述支撑管2设置在第二测试口处且二者相连通，介质箱1内设置有耦合介质，介质箱1分别与两个支撑管2相连通，超声波发射探头9插入一个所述支撑管2内，超声波接收探头3插入另一个所述支撑管2内，超声波接收探头3和超声波发射探头9分别通过超声波信号采集器5与计算机6相连接，计算机6通过超声波信号发射器7给超声波发射探头9发送超声信号。
本实施方式中两个支撑管2均水平设置，每个支撑管2的下端加工有进口12，用于注入耦合介质，支撑管2的上端加工有出口13，用于排出耦合介质。进口12和出口13均与介质箱1相连通，用于给两个支撑管2内各自设置的超声波接收探头3和超声波发射探头9提供耦合介质。
本实施方式中超声波发射探头9与其对应的支撑管2的连接关系同理于超声波接收探头3与其对应的支撑管2的连接关系。
本实施方式中超声波接收探头3、超声波信号采集器5、计算机6、超声波信号发射器7和超声波发射探头9之间相互配合的工作原理与现有的超声波设备的工作原理相同。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式还包括温度传感器4和温度控制器11，所述温度控制器11与温度传感器4相连接，温度传感器4的感温探头设置在半固态加热槽8内。其他结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中两个支撑管2均设置在探头架上。探头架用于支撑两个支撑管2。其他结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本方法包括以下步骤：
步骤一：超声波接收探头3、超声波信号采集器5、计算机6、超声波信号发射器7和超声波发射探头9依次装配连接，将介质箱1、加热元件10和两个支撑管2分别与半固态加热槽8相连接；
步骤二：将超声波接收探头3和超声波发射探头9分别与两个支撑管2相连接，确保超声波接收探头3与其所在的支撑管2内的耦合介质相接触，同时确保超声波发射探头9与其所在的支撑管2内的耦合介质相接触；
步骤三：半固态检测：超声波发射探头9发射超声脉冲，依次穿过耦合介质、半固态加热槽壁以及半固态材料，到达超声波接收探头3；
步骤四：测出超声发射脉冲与接收脉冲之间的声时值T以及超声发射脉冲与接收脉冲之间的声程L，由公式V＝L/T求出超声波声速V；
步骤五：浇注半固态材料试样，进行金相分析：对半固态材料试样进行金相法加工后，根据被检测金属材料半固态的金相照片计算出固相分数值；
步骤六：把测出的超声波声速V与对应的由金相分析法得出的固相分数值进行回归数据处理，拟合成能反映半固态固相分数与超声波声速之间线性关系的直线方程Q＝kV+b，其中K为针对被检半固态的材料常数，b为检测半固态实验装置的系统常数，Q为被检半固态的固相分数；
步骤七：利用所建立的能反映不同材料半固态固相分数与超声波声速之间线性关系的直线方程Q＝kV+b，对其他具有相同合金成分的金属材料进行半固态固相分数在线超声检测，自动得到被检金属材料的半固态固相分数Q。
本实施方式中的步骤二中超声波接收探头3与其对应的支撑管2内腔之间形成有耦合介质室，耦合介质室内充满耦合介质，同理于超声波发射探头9其对应的支撑管2内腔之间也形成有耦合介质室，耦合介质室内充满耦合介质。
结合本发明的方法说明以下实施例：
下面以AZ91D镁合金材料为例结合附图3细述本方法的具体步骤：
步骤一：超声波接收探头3、超声波信号采集器5、计算机6、超声波信号发射器7和超声波发射探头9依次装配连接，将介质箱1、加热元件10和两个支撑管2分别与半固态加热槽8相连接；
步骤二：将超声波接收探头3和超声波发射探头9分别与两个支撑管2相连接，确保超声波接收探头3与其所在的支撑管2内的耦合介质相接触，同时确保超声波发射探头9与其所在的支撑管2内的耦合介质相接触；
步骤三：超声波发射探头9发射超声脉冲，依次穿过耦合介质、半固态加热槽壁以及半固态AZ91D镁合金材料，到达超声波接收探头3；
步骤四：测出超声发射脉冲与接收脉冲之间的声时值T以及超声发射脉冲与接收脉冲之间的声程L，输入电脑，由公式V＝L/T自动算出超声波声速V；
步骤五：从550℃～650℃每隔5℃浇注AZ91D镁合金半固态材料试样，进行金相分析。对半固态试样进行金相法加工后，利用图像分析仪得到清晰的金相照片配合SPSS统计软件求得固相分数值；
表1由金相法求得的AZ91D镁合金半固态固相分数与超声波声速对应表
步骤六：根据表1把计算所得的超声波声速V与对应的由金相分析法求得的AZ91D镁合金半固态固相分数值进行回归数据处理，由图3所示的AZ91D镁合金半固态固相分数与超声波声速对应关系拟合直线图并利用OriginPro7.5软件拟合成直线方程Q＝0.1357V-569.50113；本步骤中的OriginPro7.5软件为现有软件程序；
步骤七：利用直线方程Q＝0.1357V-569.50113，建立表2，根据表2对其他具有相同合金成分的AZ91D镁合金材料进行半固态固相分数在线超声检测，从而获得被检AZ91D镁合金材料的半固态固相分数Q。
表2 AZ91D镁合金半固态固相分数与超声波声速关系表

Claims (1)

1.一种利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的方法，基于利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置来进行检测，该装置包括介质箱(1)、超声波接收探头(3)、超声波信号采集器(5)、计算机(6)、超声波信号发射器(7)、半固态加热槽(8)、超声波发射探头(9)、加热元件(10)和两个支撑管(2)；
半固态加热槽(8)水平设置，半固态加热槽(8)内设置有半固态材料试样，半固态加热槽(8)的底部设置有加热元件(10)，半固态加热槽(8)的两端分别加工有第一测试口和第二测试口，两个支撑管(2)中的一个所述支撑管(2)设置在第一测试口处且二者相连通，两个支撑管(2)中的另一个所述支撑管(2)设置在第二测试口处且二者相连通，介质箱(1)内设置有耦合介质，介质箱(1)分别与两个支撑管(2)相连通，超声波发射探头(9)插入一个所述支撑管(2)内，超声波接收探头(3)插入另一个所述支撑管(2)内，超声波接收探头(3)和超声波发射探头(9)分别通过超声波信号采集器(5)与计算机(6)相连接，计算机(6)通过超声波信号发射器(7)给超声波发射探头(9)发送超声信号，
所述装置还包括温度传感器(4)和温度控制器(11)，所述温度控制器(11)与温度传感器(4)相连接，温度传感器(4)的感温探头设置在半固态加热槽(8)内，两个支撑管(2)均设置在探头架上；
其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：超声波接收探头(3)、超声波信号采集器(5)、计算机(6)、超声波信号发射器(7)和超声波发射探头(9)依次装配连接，将介质箱(1)、加热元件(10)和两个支撑管(2)分别与半固态加热槽(8)相连接；
步骤二：将超声波接收探头(3)和超声波发射探头(9)分别与两个支撑管(2)相连接，确保超声波接收探头(3)与其所在的支撑管(2)内的耦合介质相接触，同时确保超声波发射探头(9)与其所在的支撑管(2)内的耦合介质相接触；
步骤三：半固态检测：超声波发射探头(9)发射超声脉冲，依次穿过耦合介质、半固态加热槽壁以及半固态材料试样，到达超声波接收探头(3)；
步骤四：测出超声发射脉冲与接收脉冲之间的声时值T以及超声发射脉冲与接收脉冲之间的声程L，由公式V＝L/T求出超声波声速V；
步骤五：浇注半固态材料试样，进行金相分析：对半固态材料试样进行金相法加工后，根据被检测金属材料半固态的金相照片计算出固相分数值；
步骤六：把测出的超声波声速V与对应的由金相分析法得出的固相分数值进行回归数据处理，拟合成能反映半固态固相分数与超声波声速之间线性关系的直线方程Q(％)＝kV+b，其中K为针对被检半固态的材料常数，b为检测半固态实验装置的系统常数，Q(％)为被检半固态的固相分数；
步骤七：利用所建立的能反映不同材料半固态固相分数与超声波声速之间线性关系的直线方程Q(％)＝kV+b，对其他具有相同合金成分的金属材料进行半固态固相分数在线超声检测，自动得到被检金属材料的半固态固相分数Q。
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