CN113533519A - 一种非接触无损评估材料各向异性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非接触无损评估材料各向异性的方法和装置，该方法通过激励步进频率的电磁超声横波，并获取被检试件中特定频带宽中的超声横波共振频率，提取分别代表快横波和慢横波的超声横波共振频率，构造被检试件的各向异性参数；并基于得到的各向异性参数，比较不同轧制工艺处理材料的各向异性参数的不同；对比检测、评估金属材料的各向异性；比较不同应力状态下材料的各向异性参数的不同，对比检测、评估金属材料的应力状态。本发明基于超声横波的双折射与材料弹性各向异性直接关系，利用快横波波速与慢横波波速来构造各向异性参数；将电磁超声换能器与超声共振光谱结合，克服了电磁超声换能器传输能量低的问题，提高了电磁超声的信噪比。

Description

一种非接触无损评估材料各向异性的方法和装置

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，涉及利用超声波对材料性能进行非破坏性评估和表征的技术，具体是一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法和装置。

背景技术

电磁超声检测是一种依靠电磁感应和磁致伸缩效应原理在工件中产生和接收超声波来实现对构件内部缺陷进行无损检测的方法。由于电磁激励超声是基于电磁感应原理工作的，电磁超声检测方法不需要在电磁超声探头与被检测构件表面之间使用耦合剂就可以在构件内产生超声波，且由于磁场与线圈方便搭配调控，更利于产生单一模态的超声波。电磁超声检测是一种非接触无损检测方法，它不需要对工件表面进行处理，是一种快速、方便、有效和低成本的检测方法，容易实现对构件缺陷的大范围、普查性的无损检测。但由于电磁超声换能器存在能量转换效率低、信噪比低的缺点。为提高电磁超声换能器，电磁超声谐振技术结合电磁超声换能器和超声频谱分析的技术时连续超声回波同相位叠加，增大被检试件中的质点振动位移，可以有效提高能量转换效率。

工程材料大多是晶体材料，如何利用晶体本身存在的各向异性，既可以保持工程材料原有的全部传统优点，又可使必要的性能在特定方向得到显著的提高，这是材料生产者和研究者十分关注的焦点。因此，检测材料自身存在的晶体学织构与各向异性就成为了材料生产和开发研究的重要分析内容之一。在金属加工中塑性加工不均匀会导致金属板材出现制耳缺陷，制耳缺陷不仅会影响生产效率还会导致成材率降低，使生产成本上升。

在线检测技术主要应用于连续生产线上可快速而连续的无损检测钢材性能，这不但大大缩短了生产流程，而且也为全方位保证产品质量和即时的反馈控制提供了可能。在实验室人们往往借助中子、X射线通过较长时间测得若干极图，并由此算出较为准确的织构表达指标(ODF)。这几种方法复杂、费时，显然不能用于生产现场的在线技术。

为此，现有技术中一篇公开号为CN101421610A的发明专利公开一种使用超声波对具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体进行无损测试的方法，其包括如下过程：确定或提供描述所述声学各向异性材料区域的方向特定的声音传播特性；然后将超声波射入到所述测试体的所述声学各向异性材料区域；使用多个超声波换能器接收所述测试体内部反射的超声波；对使用所述多个超声波换能器产生的超声波信号进行评价基于所述方向特定的声音传播特性在方向上具有选择性地执行该评价。

另一篇申请公布号为CN111307351A的发明专利公开了一种电磁超声仪测量残余应力的方法，该方法包括：测量声时值步骤：电磁超声探头吸附拉伸被检试件，以不同应力加载，测量每个应力下对应的声时值；横波声弹性系数和各向异性参数确定步骤：通过数据线性拟合，得到横波声弹性系数和各向异性参数；建立声速与应力的关系方程步骤：测得的数据结果代入声速值、横波声弹性系数、和各向异性参数的关系式，得到声速与应力的关系方程；残余应力测量步骤：电磁超声仪测量待测材料声速值，代入声速与应力的关系方程中，获得应力值。

另一篇申请公布号为CN112050981A的发明专利公开了一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法，其基于声弹性双折射原理和声速比特性，确定了平面应力与单向应力与超声传播时间的关系。其通过特制的电磁超声探头结构可同时激发出沿材料厚度方向传播的纵波和两束正交偏振的横波，解决了传统应力测量过程中旋转探头带来精度低、效率低等问题。

另一篇申请公布号为CN 112710417A的发明专利公开了一种试件厚度未知情况的平面应力测量系统及其测量方法，该方法采用电磁超声技术直接在被测材料表面产生超声波，并采用横纵波结合方法，利用速度与传播时间的关系，在公式中消除了厚度，有效避免了厚度带来的测量误差，可直接在厚度未知情况下，对服役管道进行二维平面应力测量。

上述采用超声波进行无损检测的过程中，无一例外均是直接导入超声波信号获得相应的反射信号以求得超声波速，而电磁超声波换能器的能量转换效率较低，物体内相应的质点振动位移也较小，从而使得仅利用电磁超声换能器激励的超声波对于材料的性能变化的响应也十分微弱，因此导致很难分析材料的响应状况，从而使评估材料变得相当困难。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本申请的一个方面，提供一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法，其包括：

通过在一定频带宽内进行超声横波的步进扫频，通过分析每个激励频率下超声横波信号的频域幅值，获得被检试件的谐振频谱，从所述谐振频谱中挑选出共振频率f；其中所述的一定频带宽是针对被检试件的敏感频率区间；所述的超声横波的步进扫频是使激励的超声横波的频率以线性的方式变化改变；所述被检试件是经过不同轧制工艺或不同应力状态下的被检试件；所述超声横波优选是两束正交偏振波或单束偏振波；所述的敏感频率区间是可实现谐振频谱内出现包含快横波频率与慢横波频率的频率区间。

从接收信号的频谱中分别获取所述超声横波针对被检试件的快横波频率f⁽¹⁾及和慢横波频率f⁽²⁾；其中快横波频率f⁽¹⁾是指一定频带宽内快横波的超声横波共振频率，所述慢横波频率f⁽²⁾是指一定频带宽内慢横波的超声横波共振频率；

根据快横波频率f⁽¹⁾及和慢横波频率f⁽²⁾构造所述被检试件的各向异性参数B，B＝2*(f⁽¹⁾-f⁽²⁾)/(f⁽¹⁾+f⁽²⁾)；所述各向异性参数B也即弹性各向异性参数，或称双折射声学参数(双折射声学因子)；

基于所述被检试件的各向异性参数B，比较完好材料和经过不同程度退火热处理材料的各向异性参数的不同，定性和定量地评估金属材料的各向异性。

本申请通过在一定时间内激励频率步进的超声横波信号，激励的频率段包含快横波共振频率及慢横波共振频率，通过共振光谱的效果可以在谐振频谱中将快横波频率及慢横波频率都体现出来，通过快横波共振频率与慢横波共振频率即可表征各向异性。

根据本申请的另一方面，还提供一种非接触无损评估金属材料各向异性的装置，其包括相互电连接的信号收发集成末端、信号生成/接收模块和信号控制/显示模块，所述信号收发集成末端包括用于信号激励和接收的信号激励/接收装置，该信号激励/接收装置包括电磁超声激励部件和电磁超声接收部件；所述信号生成/接收模块包括信号发生/接收装置，所述信号控制/显示模块由计算机和示波器实现；所述信号发生/接收装置用于向所述电磁超声激励部件发送驱动信号并接收信号，所述电磁超声激励部件用于激励出向特定方向偏振的超声横波信号，所述超声横波是两束正交偏振波或单束偏振波；所述电磁超声接收部件用于接收沿任何方向偏振的超声横波信号；所述示波器用于显示驱动信号和接收信号(电磁超声接收部件接收的信号)的波形；所述计算机用于控制所述信号发生/接收装置经由电磁超声激励部件激励出步进频率的超声横波信号，并通过分析电磁超声接收部件每个步进频率点上的接收信号计算出被检试件的谐振频谱，从而评估评估各向异性金属板材的各向异性程度及各向异性主轴方向。

进一步的，所述信号收发集成末端还包括将信号激励/接收装置以一定间隔距离固定的传感器固定装置、与信号激励/接收装置和传感器固定装置连接的传感器旋转装置以及控制传感器旋转装置动作的旋转模块控制装置。

优选的，所述传感器固定装置包括一方形支架，方形支架的两末端分别连接电磁超声激励部件和电磁超声接收部件，使电磁超声激励部件和电磁超声接收部件以一定间隔距离固定，测试时被检试件放置于电磁超声激励部件和电磁超声接收部件之间的间隔中；电磁超声激励部件和电磁超声接收部件通过信号传输线连接至信号发生/接收装置进行信号传输；其中，电磁超声激励部件与方形支架之间设置有旋转模块，旋转模块通过信号控制线与旋转模块控制装置电连接。

进一步的，所述电磁超声激励部件为线性偏振型电磁超声传感器，其具体包括跑道形线圈、第一永磁铁、第一环氧树脂胶体以及第一绝缘胶带，所述第一永磁铁由所述第一环氧树脂胶体包裹，所述第一环氧树脂胶体的顶部粘贴所述跑道形线圈，所述第一绝缘胶带粘贴于贴跑道形线圈的上方。

进一步的，所述电磁超声接收部件为径向辐射型电磁超声传感器，其具体包括圆形线圈、第二永磁铁、第二环氧树脂胶体以及第二绝缘胶带，所述第二永磁铁由所述第二环氧树脂胶体包裹，所述第二环氧树脂胶体的顶部粘贴所述圆形线圈，所述第一绝缘胶带粘贴于贴圆形线圈的上方。

进一步的，该装置包括如下检测步骤：

将线性偏振型电磁超声传感器的标记方向与被检试件的轧制方向对齐，并将径向辐射型电磁超声传感器放置于对侧，保证线性偏振型电磁超声传感器和径向辐射型电磁超声传感器的中轴线对齐；

通过线性偏振型电磁超声传感器激励一定频带宽的步进频率的超声横波信号，通过分析每个步进频率点上的由径向辐射型电磁超声传感器接收的信号计算出被检试件的谐振频谱；从所述谐振频谱中标记出共振频率；

旋转模块控制装置控制旋转模块旋转线性偏振型电磁超声传感器，在分别仅出现慢横波频谱和快横波频谱向计算机回传旋转角度以实现自动标记，具体的，其包括：旋转线性偏振型电磁超声传感器直至所述径向辐射型电磁超声传感器仅可接收到快横波超声信号，也即由接收信号计算出的谐振频谱仅出现快横波共振频率，标记第一旋转角度；所述第一旋转角度是指由初始设置至谐振频谱仅出现快横波共振频率时顺时针所旋转的角度；旋转线性偏振型电磁超声传感器直至所述径向辐射型电磁超声传感器仅可接收到慢横波超声信号，也即由接收信号计算出的谐振频谱仅出现慢横波共振频率，标记第二旋转角度，所述第二旋转角度是指由初始设置至谐振频谱仅出现慢横波共振频率时顺时针所旋转的角度；

通过顺时针旋转线性偏振型电磁超声传感器，通过线性偏振型电磁超声传感器激励一定频带宽的步进频率的超声横波信号，通过分析上述每个步进频率点上的由径向辐射型电磁超声传感器接收的信号计算出被检试件的谐振频谱，从所述谐振频谱中标记出两个共振频率；

将上述计算出被检试件的谐振频谱中标记的两个共振频率分别定义为超声横波针对被检试件的快横波频率以及慢横波频率；其中快横波频率是指一定频带宽的快横波的超声横波共振频率，所述慢横波频率是指一定频带宽的慢横波的超声横波共振频率，所述的快/慢横波是指横波分裂后波速较快/慢的横波的波速；

根据快横波频率及和慢横波频率构造所述被检试件的各向异性参数；所述各向异性参数也即弹性各向异性参数，或称双折射声学参数(双折射声学因子)；

基于旋转模块控制装置获得的的第一旋转角度和第二旋转角度，可由轧制方向作为基准线标记出各向异性主要方向，定向的评估金属材料的各向异性方向；

基于所述被检试件的各向异性参数，比较完好材料和经过不同程度退火热处理材料的各向异性参数的不同，定性和定量地评估金属材料的各向异性程度。

本发明通过上述方案实现一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法和装置，其基于超声方法和电磁谐振技术相结合的金属材料检测和评估的技术，分两步分别获取共振频率信号激励下得到的快横波和慢横波所对应的共振频率，即可计算出被检试件的共振相对各向异性参数，从而有效地表征材料性能发生的相对变化。以商用金属被检试件测得的共振相对各向异性声学参数作为评价基准，对比测试和评估其他同类材料即可判断出被检试件的轧制效果。

本发明基于超声横波的双折射与材料弹性各向异性直接关系，利用快横波波速与慢横波波速来构造各向异性参数；将电磁超声传感器与超声共振光谱结合，克服了电磁超声传感器传输能量低的问题，提高了电磁超声的信噪比；检测过程非接触，可保证非线性超声测试中的耦合状态稳定一致，并实现对高温、极端在役环境下的材料和构件监测与评估；对被检材料的厚度没有限制，可以用于现场、实时、快速检测并评估金属材料的各向异性。

现有技术一般都是利用声时值去表征材料速度，过程更加繁琐，且效率不及本申请的方案。本申请的装置利用线性偏振型电磁超声传感器在被检试件内激励出线性偏振横波并利用径向辐射型电磁超声传感器接收被检试件内的超声波来测量被检试件的各向异性，其具有如下优势：1、利用声光谱共振技术与线性偏振型电磁超声传感器、径向辐射型电磁超声传感器结合，提高电磁超声信噪比以及精度；2、利用线性偏振型电磁超声传感器和径向辐射型电磁超声传感器，可以表征各向异性方向；3、基于电磁超声传感器的基本特性，不需要耦合剂，是测量更加精准；4、构建的各向异性因子与厚度没有关系，也即一定厚度内各向异性的均值，方便现场、实时、快速检测并评估金属材料的各向异性。综上，本发明结合超声光谱与电磁超声从而快速、准确、无损伤的评估各向异性金属板材的各向异性程度及各向异性主轴方向。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是本发明无损评估装置中的电磁超声原理示意图及双折射声学原理示意图；

图2a是本发明无损评估装置的原理示意图；

图2b为本发明实施例无损评估装置中的信号收发集成末端的示意图；

图3为本发明实施例中电磁超声激励部件的结构图；

图4为本发明实施例中电磁超声接收部件的结构图；

图5是所测得的未经处理商用金属板材频谱与经过退火热处理的被检试件频谱对比图；

图6是被检试件不同位置处未经处理商用金属板材频谱与经过退火热处理的被检试件双折射因子对比图；

图7是当激励换能器为线性偏振电磁超声探头且主方向与轧制被检试件横向平行时金属板材频谱与激励换能器为径向辐射电磁超声探头时金属板材频谱对比图；

图8是当激励换能器为线性偏振电磁超声探头且主方向与轧制被检试件轧向成时金属板材频谱与激励换能器为径向辐射电磁超声探头时金属板材频谱对比图；

图9是当激励换能器为线性偏振电磁超声探头且主方向与轧制被检试件轧向平行时金属板材频谱与激励换能器为径向辐射电磁超声探头时金属板材频谱对比图；

图10是当激励换能器为线性偏振换能器且主方向与轧制被检试件轧向成时，不同横向预应力水平金属板材频谱图；

图11是不同横向预应力水平的金属板材双折射因子图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。此外，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例公开一种非接触无损评估金属材料各向异性及残余应力的方法和装置，通过扫频激励电磁超声横波并获取被检试件中特定频带的超声横波共振频率，提取分别代表快横波和慢横波的超声横波共振频率，构造被检试件的各向异性参数，基于得到的各向异性参数，比较不同轧制工艺处理材料的各向异性参数的不同；对比检测、评估金属材料的各向异性；比较不同应力状态下材料的各向异性参数的不同，对比检测、评估金属材料的应力状态。

实施例1

请参阅图1、图2a、图2b、图3和图4，本实施例提供一种非接触无损评估金属材料各向异性的装置，包括相互电连接的信号收发集成末端、信号生成/接收模块和信号控制/显示模块，信号收发集成末端包括用于信号激励和接收的信号激励/接收装置、将信号激励/接收装置以一定间隔距离固定的传感器固定装置、与信号激励/接收装置和传感器固定装置连接的传感器旋转装置以及控制传感器旋转装置动作的旋转模块控制装置。

参见图2b，本实施例中，信号激励/接收装置包括电磁超声激励部件1和电磁超声接收部件2，本实施例的传感器固定装置包括一方形支架3，方形支架的两末端分别连接电磁超声激励部件1和电磁超声接收部件2，使电磁超声激励部件1和电磁超声接收部件2以一定间隔距离固定，测试时被检试件4放置于电磁超声激励部件1和电磁超声接收部件2之间的间隔中；电磁超声激励部件1和电磁超声接收部件2通过信号传输线5连接至信号发生/接收装置进行信号传输；其中，电磁超声激励部件1与方形支架3之间设置有旋转模块6，旋转模块6通过信号控制线7与旋转模块控制装置电连接。其中旋转模块和旋转模块控制装置可采用电机驱动的旋转机构实现，也可以采用计算机控制的电的千分尺来实现，该机构为本领域技术人员所熟知的技术，这里不再赘述。

信号生成/接收模块包括信号发生/接收装置，信号控制/显示模块由计算机、示波器以及前置放大器(可省略)实现。

通过在一定频带宽内进行超声横波的步进扫频，该超声横波是两束正交偏振波或单束偏振波；获得被检试件的谐振频谱，从该谐振频谱中挑选出共振频率；信号发生/接收装置激励一定频率的超声波信号，经由电磁超声激励部件并导入到被检试件M中，在被检试件M的另一端连接电磁超声接收部件，检测传播的声波信号，经前置放大器后进行滤波送入到示波器中，示波器获取接收到的信号波形将其输入计算机中；由信号发生/接收装置获得的数据也一并输入计算机中进行信号分析。计算机用于控制所述信号发生/接收装置经由电磁超声激励部件激励出步进频率的超声横波信号，并通过分析电磁超声接收部件每个步进频率点上的接收信号计算出被检试件的谐振频谱，从而评估评估各向异性金属板材的各向异性程度及各向异性主轴方向。

本实施例中，参见图3，电磁超声激励部件为线性偏振型电磁超声传感器，其具体包括跑道形线圈10、永磁铁11、环氧树脂胶体12以及绝缘胶带，永磁铁11由环氧树脂胶体12包裹，环氧树脂胶体12的顶部粘贴跑道形线圈10，绝缘胶带粘贴于贴跑道形线圈10上方。图3中，14为磁场覆盖区域，15为仪器基准线。

参见图4，电磁超声接收部件为径向辐射型电磁超声传感器，其具体包括圆形线圈20、永磁铁21、环氧树脂胶体22以及绝缘胶带，永磁铁21由环氧树脂胶体22包裹，环氧树脂胶体22的顶部粘贴圆形线圈20，绝缘胶带粘贴于圆形线圈20上方。图4中，24为磁场覆盖区域，25为仪器基准线。

该装置包括如下检测步骤：

将线性偏振型电磁超声传感器的标记方向与被检试件的轧制方向对齐，并将径向辐射型电磁超声传感器放置于对侧，保证线性偏振型电磁超声传感器和径向辐射型电磁超声传感器的中轴线对齐；测量过程中，线性偏振型电磁超声传感器被安置在被检试件附近一固定距离处，且保证在检测中两个传感器彼此之间距离不变；

通过线性偏振型电磁超声传感器激励一定频带宽的步进频率的超声横波信号，通过分析每个步进频率点上的由径向辐射型电磁超声传感器接收的信号计算出被检试件的谐振频谱；从谐振频谱中标记出共振频率；

旋转线性偏振型电磁超声传感器直至径向辐射型电磁超声传感器仅可接收到快横波超声信号，也即由接收信号计算出的谐振频谱仅出现快横波共振频率，标记第一旋转角度；第一旋转角度是指由初始设置至谐振频谱仅出现快横波共振频率时顺时针所旋转的角度；

旋转线性偏振型电磁超声传感器直至径向辐射型电磁超声传感器仅可接收到慢横波超声信号，也即由接收信号计算出的谐振频谱仅出现慢横波共振频率，标记第二旋转角度，第二旋转角度是指由初始设置至谐振频谱仅出现慢横波共振频率时顺时针所旋转的角度；

通过顺时针旋转线性偏振型电磁超声传感器，通过线性偏振型电磁超声传感器激励一定频带宽的步进频率的超声横波信号，通过分析上述每个步进频率点上的由径向辐射型电磁超声传感器接收的信号计算出被检试件的谐振频谱，从谐振频谱中标记出两个共振频率；

将上述计算出被检试件的谐振频谱中标记的两个共振频率分别定义为超声横波针对被检试件的快横波频率以及慢横波频率；其中快横波频率是指一定频带宽的快横波的超声横波共振频率，慢横波频率是指一定频带宽的慢横波的超声横波共振频率，快/慢横波是指横波分裂后波速较快/慢的横波；

根据快横波频率及和慢横波频率构造被检试件的各向异性参数；各向异性参数也即弹性各向异性参数，或称双折射声学参数(双折射声学因子)；

基于第一标记旋转角度和第二旋转角度，可由轧制方向作为基准线标记出各向异性主要方向，定向的评估金属材料的各向异性方向；

基于被检试件的各向异性参数，比较完好材料和经过不同程度退火热处理材料的各向异性参数的不同，定性和定量地评估金属材料的各向异性程度。

实施例2

本实施例提供一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法，将经过塑性加工的被检试件，通过在一定频带宽内进行超声横波的步进扫频，获得被检试件的谐振频谱，从所述谐振频谱中提取对应的快横波共振频率f⁽¹⁾与慢横波共振频率f⁽²⁾，计算出被检试件的双折射声学参数B，其中B＝2*(f⁽¹⁾-f⁽²⁾)/(f⁽¹⁾+f⁽²⁾)；基于得到的双折射声学参数B，比较轧制态和经过不同程度退火热处理材料的双折射声学参数的不同，定性和定量地评估金属材料的各向异性。该方法是基于：(1)传播介质中晶体择优取向能导致明显的声波双折射现象的出现，(2)超声波共振方法能显著提高电磁超声响应信号的信噪比，弥补作为电磁超声换能器的电磁超声激励探头能量转换效率低的问题，(3)共振法对被检测被检试件的厚度无特殊限制(4)电磁超声换能器能在极端、高温等特殊环境下实现材料检测，与被检测被检试件的耦合效果稳定一致。

该非接触无损评估金属材料各向异性的方法的检测步骤如下：

1)将电磁超声激励探头2靠近被检试件，并使两传感器(电磁超声激励探头2和电磁超声接收探头3)中轴对齐；

2)由线性偏振型电磁超声传感器激励长脉冲偏振横波超声波信号，通过径向辐射型电磁超声传感器接收偏振横波，获得被检试件的谐振频谱；

3)旋转线性偏振型电磁超声传感器，在分别仅出现慢横波频谱和快横波频谱角度做标记。

4)旋转线性偏振型电磁超声传感器，在同时出现快横波和慢横波频谱时，提取谐振频谱信号，并在频谱中提取步骤3)中的超声频谱中对应的快横波共振频率f⁽¹⁾与慢横波共振频率f⁽²⁾。

5)计算共振相对双折射声学参数：

共振相对双折射声学参数B的值与步骤5)所获得的快/慢谐振峰频率相关，其计算公式为

其中f⁽¹⁾和f⁽²⁾分别是快横波和慢横波共振频率；

6)基于得到的共振相对双折射声学参数B的值，选择完好材料的双折射声学参数作为评价基准，对比检测评估其他经过不同程度热处理的同类金属材料。

在检测过程中，为保证电磁超声换能器与被检试件之间的非接触耦合状态稳定一致，测量中电磁超声换能器需要被安置在被检试件附近一固定距离处。检测过程中使用的电磁超声换能器为单模态超声激励换能器，既可以在铁磁性材料中利用磁致伸缩效应产生超声波，也可以在非铁磁性材料中利用洛伦兹力产生超声波，被检试件可以是铁磁性材料或非铁磁性材料。

本发明原理是：

超声波在晶体择优取向的多晶体材料中传播时，会分裂为沿不同方向偏振的超声波，被称为双折射声学效应。一般而言，材料中晶体择优取向越严重、晶体各向异性越严重，超声波的双折射响应越明显。而基于电磁超声共振的方法可以在提高信号强度的同时将材料的双折射效应测量出来，根据测量的超声波双折射效应构造相应的各向异性参数即可用于表征材料内部择优取向，即多晶织构。

本发明是一种利用超声方法评估金属材料各向异性的新技术，其利用非破坏性的方式精确评估经过不同热处理后的金属材料的晶体内择优取向因子(ODF)的改变。本发明基于塑性加工会导致晶体择优取向，而超声传播的横波偏振和材料的择优取向有直接的关系。以商用态金属板为验证条件，经过退火热处理的材料，内部晶粒会逐渐均匀，晶粒开始形核并逐渐长大，择优取向效果减弱，而超声传播的双折射声学响应则便小，直到达到一定极限。通过本发明方法，可以在线检测金属塑形加工过程中的各向异性指标，有效测试大规模塑性加工过程中金属的各向异性，将大幅度增加材料合格率。

图5、图6是所测得的未经处理的完好被检试件和经过退火热处理的被检试件频谱对比图，以退火处理为例，材料在经过退火热处理后，内部原有的组织结构发生改变，择优取向效果减弱，发生再结晶，所测得的声学共振各向异性参数B也会减小。

图7、图8、图9是所测得的是当激励换能器为线性偏振电磁超声探头且主方向与轧制被检试件横向不同角度金属板材频谱与激励换能器为径向辐射电磁超声探头时金属板材频谱对比图。当线性偏振换能器与材料横向夹角θ为0°时，径向辐射换能器扫频得到的电磁谐振频谱为单峰，并与一对径向辐射换能器扫频得到的电磁谐振频谱中双峰的左峰具有相同的谐振频率，说明当作为激励源的线性偏振换能器主要方向与材料横向平行时，仅会产生沿材料轧向偏振的横波。当线性偏振换能器与材料横向夹角θ为45°时，作为激励源的方形换能器会产生两束分别沿轧向、横向偏振的横波；当方形换能器与材料横向夹角θ为90°时，作为激励源的方形换能器仅会产生沿材料横向偏振的横波。通过线性偏振横波换能器激励及径向辐射换能器接收的方法，可以找到轧制金属的横向、轧向，对判断各向异性材料的主轴方向有指导意义。

图10、图11是激励换能器为线性偏振换能器且主方向与轧制被检试件轧向成45°时，不同横向预应力水平金属板材频谱图及不同横向预应力水平的金属板材双折射因子图。材料在经过预应力拉伸后，快横波谐振频率呈向左偏移的趋势，慢横波谐振频率呈向右偏移的趋势。随着横向应力水平的增强，双折射声学因子成下降的趋势。材料在横向预应力的状态下时，将会削弱其织构导致的各向异性，所测得的声学共振各向异性参数B也会减小。

本发明基于传播介质中双折射声学效应也能导致明显的超声横波沿不同方向偏振，开发出一种基于电磁超声共振方法的各向异性评估和优化技术。这项技术对材料经过不同塑性加工后导致的择优取向非常敏感，可以快速、有效的评估出轧制导致的弹性各向异性的程度，乃至优化塑性加工工艺参数；这项技术对材料不同应力状态下的由应力导致的各向异性差异非常敏感，可以快速、有效的评估出材料应力状态，检测金属残余应力，乃至在线健康检测大型在役结构件

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

此外，本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法，其特征在于：包括：

通过在一定频带宽内进行超声横波的步进扫频，获得被检试件的谐振频谱，从所述谐振频谱中挑选出共振频率f；

从接收信号的频谱中分别获取所述超声横波针对被检试件的快横波频率f⁽¹⁾及和慢横波频率f⁽²⁾；所述快横波频率f⁽¹⁾是指一定频带宽内快横波的超声横波共振频率，所述慢横波频率f⁽²⁾是指一定频带宽内慢横波的超声横波共振频率；

根据快横波频率f⁽¹⁾及和慢横波频率f⁽²⁾构造所述被检试件的各向异性参数B，B＝2*(f⁽¹⁾-f⁽²⁾)/(f⁽¹⁾+f⁽²⁾)；

基于所述被检试件的各向异性参数B，比较完好材料和经过不同程度退火热处理材料的各向异性参数的不同，定性和定量地评估金属材料的各向异性。

2.根据权利要求1所述一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法，其特征在于：所述的一定频带宽是针对被检试件的敏感频率区间。

3.根据权力要求1所述一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法，其特征在于：所述的超声横波是两束正交偏振波或单束偏振波。

4.根据权利要求1所述一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法，其特征在于：所述的超声横波的步进扫频是使激励的超声横波的频率以线性的方式变化改变。

5.根据权利要求1所述一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法，其特征在于：所述被检试件是经过不同轧制工艺或不同应力状态下的被检试件。

6.一种非接触无损评估金属材料各向异性的装置，其特征在于：包括相互电连接的信号收发集成末端、信号生成/接收模块和信号控制/显示模块，所述信号收发集成末端包括用于信号激励和接收的信号激励/接收装置，该信号激励/接收装置包括电磁超声激励部件和电磁超声接收部件；所述信号生成/接收模块包括信号发生/接收装置，所述信号控制/显示模块由计算机和示波器实现；所述信号发生/接收装置用于向所述电磁超声激励部件发送驱动信号并接收信号，所述电磁超声激励部件用于激励出向特定方向偏振的超声横波信号；所述电磁超声接收部件用于接收沿任何方向偏振的超声横波信号；所述示波器用于显示驱动信号和接收信号的波形；所述计算机用于控制所述信号发生/接收装置经由电磁超声激励部件激励出步进频率的超声横波信号，并通过分析电磁超声接收部件每个步进频率点上的接收信号计算出被检试件的谐振频谱，从而评估评估各向异性金属板材的各向异性程度及各向异性主轴方向。

7.根据权利要求6所述的一种非接触无损评估金属材料各向异性的装置，其特征在于：所述信号收发集成末端还包括将信号激励/接收装置以一定间隔距离固定的传感器固定装置、与信号激励/接收装置和传感器固定装置连接的传感器旋转装置以及控制传感器旋转装置动作的旋转模块控制装置。

8.根据权利要求7所述的一种非接触无损评估金属材料各向异性的装置，其特征在于：所述传感器固定装置包括一方形支架，方形支架的两末端分别连接电磁超声激励部件和电磁超声接收部件，使电磁超声激励部件和电磁超声接收部件以一定间隔距离固定；所述电磁超声激励部件与方形支架之间设置有旋转模块，旋转模块通过信号控制线与旋转模块控制装置电连接。

9.根据权利要求8所述的一种非接触无损评估金属材料各向异性的装置，其特征在于：该装置包括如下检测步骤：

1)将线性偏振型电磁超声传感器的标记方向与被检试件的轧制方向对齐，并将径向辐射型电磁超声传感器放置于对侧，保证线性偏振型电磁超声传感器和径向辐射型电磁超声传感器的中轴线对齐，并利用方形支架将线性偏振型电磁超声传感器和径向辐射型电磁超声传感器固定；

2)将线性偏振型电磁超声传感器靠近被检试件，由线性偏振型电磁超声传感器激励一定频带宽的步进频率的超声横波信号，通过分析由径向辐射型电磁超声传感器接收的每个步进频率点上的信号计算出被检试件的谐振频谱；从所述谐振频谱中标记出共振频率；

3)旋转模块控制装置控制旋转模块旋转线性偏振型电磁超声传感器，在分别仅出现慢横波频谱和快横波频谱向计算机回传旋转角度以做标记；

4)旋转线性偏振型电磁超声传感器，在同时出现快横波和慢横波频谱时，提取谐振频谱信号，并在频谱中提取对应的快横波共振频率f⁽¹⁾与慢横波共振频率f⁽²⁾；

5)根据快横波频率及和慢横波频率构造所述被检试件的各向异性参数B：

被检试件的各向异性参数B的计算公式为：

其中f⁽¹⁾和f⁽²⁾分别是快横波共振频率和慢横波共振频率；

6)基于步骤3)标记的旋转角度，由轧制方向作为基准线标记出各向异性主要方向，定向的评估金属材料的各向异性方向；

基于所述被检试件的各向异性参数，比较完好材料和经过不同程度退火热处理材料的各向异性参数的不同，定性和定量地评估金属材料的各向异性程度。

10.根据权利要求9所述的一种非接触无损评估金属材料各向异性的装置，其特征在于：所述步骤3)和步骤4)具体包括：

旋转线性偏振型电磁超声传感器直至所述径向辐射型电磁超声传感器仅可接收到快横波超声信号，也即由接收信号计算出的谐振频谱仅出现快横波共振频率，标记第一旋转角度；所述第一旋转角度是指由初始设置至谐振频谱仅出现快横波共振频率时顺时针所旋转的角度；

旋转线性偏振型电磁超声传感器直至所述径向辐射型电磁超声传感器仅可接收到慢横波超声信号，也即由接收信号计算出的谐振频谱仅出现慢横波共振频率，标记第二旋转角度，所述第二旋转角度是指由初始设置至谐振频谱仅出现快横波共振频率时顺时针所旋转的角度；

通过顺时针旋转线性偏振型电磁超声传感器，通过线性偏振型电磁超声传感器激励一定频带宽的步进频率的超声横波信号，通过分析上述每个步进频率点上的由径向辐射型电磁超声传感器接收的信号计算出被检试件的谐振频谱，从所述谐振频谱中标记出两个共振频率；

将上述计算出被检试件的谐振频谱中标记的两个共振频率分别定义为超声横波针对被检试件的快横波频率以及慢横波频率。

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