CN113188965B - 一种基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的无损评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光超声表面波的金属增材制件晶粒尺寸无损评定方法，该方法通过不同制备工艺或者不同的热处理方法得到晶粒尺寸梯度分布试样；在每一个试样上设置相同距离的探测点，采集每个探测点的表面波信号，对采集的信号进行降噪处理并推算出表面波衰减规律；基于表面波在金属增材制件中的衰减规律，分析表面波衰减系数与平均晶粒尺寸的关系，建立基于实验的表面波衰减系数与平均晶粒尺寸多项式函数拟合模型，利用该模型，采用表面波对待测样品进行检测即可得到金属增材制件的晶粒尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的无损评定方法，尤其涉及一种提高了晶粒尺寸实验结果的精度，降低了系统实验误差，提高了超声评价材料晶粒尺寸的可行性的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的无损评定方法。
背景技术
晶粒尺寸的大小对金属材料的机械性能、物理性能以及工艺性能有直接的影响，是反应材料微观结构的一个重要参数。霍尔-佩奇公式中解释了金属材料晶粒尺寸与其屈服强度之间的关系，金属材料晶粒尺寸越小，其屈服强度越大。尤其对于增材制造领域，由于其本身制造的特点，对于材料的硬度、塑性、韧性、蠕变性能、疲劳强度以及可成形性有很高的要求，所以对于增材制件晶粒度快速有效的检测是非常必要的。目前对于金属材料的晶粒度的检测一般分为有损检测和无损检测两种；有损检测包括传统的金相法和电子背散射衍射法，这两种方法具有检测结果客观和精度较高的优点，但是检测时都需要繁琐的准备工作，检测效率低，必须破坏工件。
无损检测一般采用X射线法和超声法，射线法根据衍射斑点的大小作为晶粒度评定的参考，但检测结果受设备和检测参数的影响较大。相对X射线检测，超声检测速度快，灵敏度高，尤其对于激光超声技术弥补了传统超声探头带来耦合误差。目前超声技术大多采用纵波来检测材料晶粒尺寸，但是对于快速成形增材制造而言，其制件的形状结构往往会比较复杂，对于一些带有曲面等复杂结构的制件而言，传统纵波的技术会存在一定的困难，尤其对于回波的接收的难度增加。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的无损评定方法，解决现有技术中结构复杂的增材制件采用传统超声纵波难以接受回波的不足的问题。
技术方案：本发明所述的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，包括以下步骤：
(1)制备晶粒尺寸梯度试样，采用不同固溶或退火处理工艺，获得不同晶粒尺寸的梯度试样，使用金相法测量试样的平均晶粒尺寸；
(2)采用激光超声对不同晶粒尺寸梯度试样进行检测，选择合适的表面波频率采集固定传播距离x下的表面波信号幅值Ai；
(3)对采集到的表面波信号进行降噪处理，根据公式
计算不同晶粒尺寸试样的衰减系数α；以衰减系数α为横坐标，金相法测量的平均晶粒尺寸D为纵坐标绘图，拟合得到表面波衰减系数与平均晶粒尺寸之间的多项式函数计算模型
(4)对待测试样进行去应力退火处理并对表面进行研磨抛光；
(5)把待测试样放入激光超声检测设备的样品台上，在相同表面波频率下，采集固定距离x下的表面波幅值Ai，并计算出衰减系数αi，代入步骤(3)得到的计算模型，即可算得待测样品平均晶粒尺寸值Di。
进一步的，所述试样均经过去应力退火处理。
进一步的，所述步骤(2)中，表面波频率范围为2.0MHz～5.0MHz。
进一步的，所述步骤(2)中，所述传播距离x下的表面波信号幅值Ai，传播距离x范围为2～6mm。
进一步的，所述步骤(3)中，所述表面波衰减系数与平均晶粒尺寸多项式函数拟合模型：
式中，D为平均晶粒尺寸，mm；ki为系数；α为表面波传播衰减系数；n取1～3。
进一步的，所述步骤(4)中所述待测试样经过去应力退火，表面研磨抛光后，试样表面粗糙度在0.2～0.8μm范围。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、提高了晶粒尺寸实验结果的精度；2、降低了系统实验误差；3、提高了超声评价材料晶粒尺寸的可行性。
附图说明
图1为本发明的一种基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法流程图；
图2为本发明中超声信号采集系统结构示意图；
图3扫描激光源法采集超声传播信号图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
根据图1、图2、图3所示，本实施例所述的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，包括以下步骤：
(1)制备晶粒尺寸梯度试样，采用不同固溶或退火处理工艺，获得不同晶粒尺寸的梯度试样，使用金相法测量试样的平均晶粒尺寸；
(2)采用激光超声对不同晶粒尺寸梯度试样进行检测，选择合适的表面波频率采集固定传播距离x下的表面波信号幅值Ai；
(3)对采集到的表面波信号进行降噪处理，根据公式
计算不同晶粒尺寸试样的衰减系数α；以衰减系数α为横坐标，金相法测量的平均晶粒尺寸D为纵坐标绘图，拟合得到表面波衰减系数与平均晶粒尺寸之间的多项式函数计算模型
(4)对待测试样进行去应力退火处理并对表面进行研磨抛光；
(5)把待测试样放入激光超声检测设备的样品台上，在相同表面波频率下，采集固定距离x下的表面波幅值Ai，并计算出衰减系数αi，代入步骤(3)得到的计算模型，即可算得待测样品平均晶粒尺寸值Di。
所述试样均经过去应力退火处理。
所述步骤(2)中，表面波频率范围为2.0MHz～5.0MHz。所述步骤(2)中，所述传播距离x下的表面波信号幅值Ai，传播距离x范围为2～6mm。
所述步骤(3)中，所述表面波衰减系数与平均晶粒尺寸多项式函数拟合模型：
式中，D为平均晶粒尺寸，mm；ki为系数；α为表面波传播衰减系数；n取1～3。
步骤(4)中所述待测试样经过去应力退火，表面研磨抛光后，试样表面粗糙度在0.2～0.8μm范围。
实施例2
以不锈钢为例，图1为本发明的一种基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的流程图。为获取该试块的晶粒平均尺寸，其具体检测步骤如下：
步骤一，制备规格为20mm×20mm×10mm大小的316L不锈钢试样，然后采用不同固溶或退火处理工艺，获得不同晶粒尺寸的梯度试样为标准试样；
步骤二，将所制备试样然后经过研磨、抛光和腐蚀，采用金相法测定平均晶粒度，分别为4.4μm、7.1μm、9.3μm、13.3μm、16μm、20μm。
步骤三，采用为Q可调钇铝石榴石晶体激光器，即Q可调(Nd:YAG)型激光器激发表面波，选择激光频率为2.5MHz，对不同晶粒尺寸梯度试样进行检测，以晶粒尺寸为4.4μm试样为例，采集初始位置激励点和接收点重合信号幅值A0为0.0349，然后采集固定传播距离x为4mm下的表面波信号幅值A4为0.0235，同理采集其他组数据；
步骤四，对采集到的表面波信号进行降噪处理，根据公式
计算不同晶粒尺寸试样的衰减系数α，分别为0.86、0.93、1.06、1.21、1.32、1.37，单位为dB/mm，以金相法测量的平均晶粒尺寸D为横坐标，计算得到的不同晶粒尺寸下的衰减系数α为
纵坐标绘图，拟合得到表面波衰减系数与平均晶粒尺寸多项式函数计算模型：
D＝656.21α-593.21α2+183.76α3-238.07
步骤五，对待测试样进行去应力退火处理并对表面进行研磨抛光；
步骤六，把待测试样放入激光超声检测设备的样品台上，在同一激光频率下，采集表面波信号A0为0.0352，固定距离x为4mm下的表面波幅值A4为0.0210，并计算出衰减系数α为1.12dB/mm，带入步骤四种拟合的计算公式，得到待测样品晶粒尺寸值为10.93μm。
步骤七，待测样品金相法所测晶粒尺寸为11.5μm，该方法计算误差为4.96％，该方法计算误差较小，可以实现对材料晶粒尺寸的无损评定。
Claims (6)
1.一种基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备晶粒尺寸梯度试样，采用不同固溶或退火处理工艺，获得不同晶粒尺寸的梯度试样，使用金相法测量试样的平均晶粒尺寸；
（2）采用激光超声对不同晶粒尺寸梯度试样进行检测，选择合适的表面波频率采集固定传播距离x下的表面波信号幅值Ai；
（3）对采集到的表面波信号进行降噪处理，根据公式计算不同晶粒尺寸试样的衰减系数
；以衰减系数
为横坐标，金相法测量的平均晶粒尺寸D为纵坐标绘图，拟合得到表面波衰减系数与平均晶粒尺寸之间的多项式函数计算模型
；
（4）对待测试样进行去应力退火处理并对表面进行研磨抛光；
（5）把待测试样放入激光超声检测设备的样品台上，在相同表面波频率下，采集固定距离x下的表面波幅值Ai，并计算出衰减系数
，代入步骤（3）得到的计算模型，即可算得待测样品平均晶粒尺寸值Di。
2.根据权利要求1所述的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，其特征在于，所述试样均经过去应力退火处理。
3.根据权利要求1所述的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，表面波频率范围为2.0MHz~5.0MHz。
4.根据权利要求1所述的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述传播距离x下的表面波信号幅值Ai，传播距离x范围为2~6mm。
5.根据权利要求1所述的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述表面波衰减系数与平均晶粒尺寸多项式函数拟合模型：
式中，D为平均晶粒尺寸，mm；k i为系数；α为表面波传播衰减系数；n取1~3。
6.根据权利要求1所述的基于表面波的金属增材制件晶粒尺寸的评定方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述待测试样经过去应力退火，表面研磨抛光后，试样表面粗糙度在0.2~0.8μm范围。
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Legal Events
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