技术领域
[0001] 本
发明涉及晶粒尺寸测量技术领域，更具体涉及一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法。
背景技术
[0002] 晶粒尺寸是影响各种金属材料机械性能的一个重要微观结构参数，霍尔-佩奇公式(Hall-Petch公式)指出通过细化晶粒可以提高金属材料的
力学性能。若奥氏体不锈
钢焊接件在服役前，焊接热影响区晶粒过大，服役后将导致强度不足、耐
腐蚀疲劳性能差，易出现裂纹成核并沿着焊接边缘传播，最后造成断裂事故。可见，在服役前有效检测关键材质的晶粒尺寸，对其的安全应用有重大意义。通过有损的金相法或
电子背散射衍射法可直观地测量晶粒尺寸，但需要对材料进行破坏，而且分析程序繁琐、检测效率偏低。因此，如何有效、便捷地评价晶粒尺寸一直是无损评价领域的热点问题。
[0003] 目前晶粒尺寸无损评价方法按原理可分为超声法和
涡流法，其中超声法又包含背散射法、声速法和衰减法。传统的背散射方法无需知道被测对象的厚度，但为了避免散射波与表面回波、底面回波
混叠，一般要求被测对象厚度在6mm以上，使得背散射法的应用具有局限性，且只有加入厚度测量值进行修正时，才能保证背散射评价模型有较高的评价
精度。声速法和衰减法对被测对象的厚度范围没有要求，但这两种方法都需利用到被测对象的厚度。可见，厚度的测量误差会直接影响晶粒尺寸评价的精度。在工业流
水线上，难以保证每一个被测对象的厚度完全一致，若要预先对所有被测对象的厚度进行测量，必然使检测成本和检测工时成倍增加，同时在实际应用中普遍存在被测对 象壁厚测量不便的情况，进而降低这两种方法的实用性。基于该研究现状，本发明构造了超声衰减速率，并以其为声学特征量建立了一种不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型。其次，制定了
信号的前处理方法，采用信号平均方法对超声信号进行去噪，进一步提高评价方法的抗干扰能力。
发明内容
[0004] (一)要解决的技术问题
[0005] 本发明要解决的技术问题是在不测量被测对象厚度的条件下，如何精确、可靠、无损地测量晶粒尺寸。
[0006] (二)技术方案
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法，所述方法包括以下步骤：
[0008] S1、制备并采集各个参考试
块的S个经过前处理的超声A波信号，测量每个所述参考试块的平均晶粒尺寸；
[0009] S2、构造衰减速率系数，利用步骤S1得到的超声A波信号的表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波，计算衰减速率系数及平均衰减速率系数，建立不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型；
[0010] S3、利用所述步骤S2得到的不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型，对晶粒尺寸未知的测试试块进行晶粒尺寸无损评价及验证；
[0011] 优选地，所述步骤S1中，制备参考试块，采集所述每个参考试块的超声A波信号，用信号平均技术进行前处理，并测量其平均晶粒尺寸。
[0012] 优选地，所述步骤S1具体为：
[0013] S11、将φ25mm的棒材用线切割获得K个高15mm的坯料；用高温炉分别进行固溶处理，使各参考试块的晶粒尺寸按梯度分布，接着对所有参考试块进行一次去
应力退火；对
热处理后的各参考试块进行初步的磨样，去除表面
氧化层，完成试块的制备；
[0014] S12、采用水浸脉冲反射法采集各参考试块的原始超声A波信号， 首先将第k个参考试块(k＝1，2，...，K)置于水槽中，用探
头架夹持超声纵波
探头连接于六
自由度运动平台上，通过运动控制卡控制z轴运动，从而调整超声纵波探头的
位置，接近被测参考试块，其中为了保证水声距的一致性，通过结合原始超声A波信号
波形可实现探头位置的自动调整，需设置一个表面一次回波峰值点
许可范围nFW±eFW，和一个
阈值TFW，若在超声纵波探头由远及近接近试块的过程中，首次有信号值在许可范围内超过阈值TFW，即表面一次回波的峰值点落入许可范围内，则自动停止z轴运动；
[0015] S13、超声纵波探头位置调整完毕后，为保证超声纵波探头声轴线与参考试块上表面严格垂直，需要控制运动平台的A、B轴调整超声纵波探头的
姿态来对准参考试块，其中通过结合原始超声A波信号波形可实现探头姿态的自动调整，当表面一次回波幅值最大时，可认为探头的声轴线与试块被测点位的上表面达到垂直，记录在A、B轴连续运动中，不同姿态所得到的表面波反射幅值，最后
定位到表面一次回波幅值最强的姿态，完成姿态的自动调整，姿态的自动调整保证了操作的简便性和测试的可重复性；
[0016] S14、调整
数据采集卡的
采样长度N，使原始超声A波信号足以呈现表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波；接着对采集到的原始信号用信号平均技术进行滤波，设信号平均次数为N，则连续采集N组超声A波信号可依次记为A1(n)，A2(n)，...，AN(n)，则平均后的信号 为
[0017]
[0018] 随着N的增大，随机电噪声幅值的方差以N倍下降，N一般选择为40至60次即可有效的抑制随机噪声，提高评价方法的抗干扰能力；又因为
直流分量对声学特征量的准确计算有严重的影响，所以选取始发波 和表面回波之间的一段电噪声信号作为参考，记为参考信号R(n)，通过计算其幅值的均值 来逼近直流分量，并在 中减去 以实现直流分量的消除，至此完成信号的前处理；
[0019] S15、最后储存该点位射频模式下的经过前处理的超声A波信号，每个参考试块采集S个经过前处理的A波信号，记第k个试块的第j个(j＝1，2，...，S)经过前处理的超声A波信号为 并对原始超声A波信号设置双闸
门，手动调整两个闸门的起始位置和闸门长度，分别以矩形窗截取其表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波，分别记为 和 接着更换下一个试块，即使k＝k+1，重复步骤S12、S13、S14、S15；
[0020] S16、每个参考试块任意选取3个检测面，分别进行切割、镶嵌、磨样及
抛光，并配置浸蚀剂，对各检测面进行浸蚀，用金相显微系统进行拍照，根据GB/T 6394-2002对各参考试块每个检测面随机选取5个视场，利用测量网格进行平均晶粒尺寸的截线法测量，得到各个参考试块多个截面的平均晶粒尺寸分别记为Dk，为晶粒尺寸评价模型的建立作准备。
[0021] 优选地，所述步骤S2中，构造并计算各个参考模块的衰减速率系数及平均衰减速率系数，建立评价模型。
[0022] 优选地，所述步骤S2具体为：
[0023] S21、构造如下的超声衰减速率系数
[0024]
[0025] 式中，α为超声衰减系数，cL为超声纵波声速，u＝α·cL为所构造的超声衰减速FW BW1率，fa为数据采集卡的采样
频率，n 是表面一次回波 的峰值点位置，n 是底面一次回BW2
波 的峰值点位置，n 是底面二次回波 的峰值点位置；
[0026] 所构造的超声衰减速率只与超声信号本身相关，不含被测对象的 厚度测量值，从量纲分析可知，α的量纲为Np/m，cL的量纲为m/s，故u的量纲为Np/s，即超声衰减速率可理解为
超声波在传播过程中单位时间内的衰减量，以其为声学特征量对平均晶粒尺寸进行评价，则无需进行测厚；
[0027] S22、利用步骤S1得到的第k个参考试块第j个经过前处理的超声A波信号的表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波，即 和 计算第k个参考试块第j个经前处理的超声A波信号中的衰减速率为
[0028]
[0029] 式中uk，j是第k个参考试块第j个信号的衰减速率， 是第k个参考试块第j个信号的表面一次回波峰值点位置， 是第k个参考试块第j个信号的底面二次回波峰值点位置， 和 分别是第k个参考试块第j个信号的表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波峰值；
[0030] S23、计算第k个参考模块的S个超声A波信号的平均衰减速率，如式(4)[0031] ；
[0032] S24、对步骤S23得到的平均衰减速率和步骤S1得到的平均晶粒尺寸进行最小二乘法线性拟合，拟合直线为
[0033]
[0034] 式中，拟合值的单位为μn，且拟合系数{d0，d1}的求法为
[0035]
[0036] 解上述的法方程组即可得到拟合系数{d0，d1}，式中运算符(，)表示求两向量内积，具体为
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 将式(7)的结果代入式(6)，解得拟合系数{d0，d1}，此时式(6)即本发明所建立的不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型。
[0044] (三)有益效果
[0045] 本发明的方法，无需对厚度进行测量，规避了被测对象厚度测量不便和测量不准对后续平均晶粒尺寸的影响，节省了厚度测量的步骤，使检测设备成本和检测工时得到明显减少，也解决了壁厚测量不便时难以进行晶粒尺寸无损评价的问题；对于薄壁对象，由于只需要回波的峰值点时域信息，所以有效抑制了声波混叠的影响；并利用了信号平均技术作为主要的前处理手段，有效提高了本发明方法的抗干扰能力。可见，本发明的方法提供了一种不受厚度影响并可有效评价金属材料晶粒尺寸的手段。
附图说明
[0046] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。
[0047] 图1为本发明的一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法的
流程图；
[0048] 图2为本发明中超声信号采集系统结构示意图；
[0049] 图3为本发明中的超声A波信号示意图；
[0050] 图4a-4i为本发明中各个试块的金
相图；
[0051] 图5为本发明中基于衰减速率的平均晶粒尺寸超声无损评价模型；
具体实施方式
[0052] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0053] 本具体实施方式以TP304
不锈钢为例，为了对平均晶粒尺寸未知的试块进行评价，需要用平均晶粒尺寸已知的若干参考试块建立评价模型。本发明首先将参考试块固定于装满水的水槽内，用超声脉冲发生/接收器(又称超声仪)激励超声纵波探头，把超声纵波探头通过探头架夹持于六自由度运动平台，通过计算机上安装的运动控制卡连接控制
电路来控制六自由度运动平台的运动，调整超声纵波探头在水槽中的
位姿，并用计算机上的高速数据采集卡获取并存储超声仪输出的原始超声A波信号，最后在计算机上进行进一步的分析和建模。
[0054] 图1为本发明的一种无需测厚的晶粒尺寸超声无损评价方法的流程图，建模与评价的步骤如下：
[0055] S1、制备参考试块，通过如图2所示的超声信号采集系统采集各参考试块的原始超声A波信号，对原始信号进行前处理，即用信号平均技术进行滤波及去除直流分量，并对所述参考试块进行金相分析得到各个试块多个截面的平均晶粒尺寸，具体包含以下步骤：
[0056] S11、将φ25mm的棒材用线切割获得K个高15mm的坯料；用高温炉分别进行固溶处理，使各参考试块的晶粒尺寸按梯度分布，接着对所有参考试块进行一次去应力退火；对热处理后的各参考试块进行 初步的磨样，去除表面氧化层，完成试块的制备；
[0057] S12、采用水浸脉冲反射法采集各参考试块的原始超声A波信号，首先将第k个参考试块(k＝1，2，...，K)置于水槽中，用探头架夹持超声纵波探头连接于六自由度运动平台上，通过运动控制卡控制z轴运动，从而调整超声纵波探头的位置，接近被测参考试块，其中为了保证水声距的一致性，通过结合原始超声A波信号波形可实现探头位置的自动调整，需设置一个表面一次回波峰值点许可范围nFW±eFW，和一个阈值TFW，若在超声纵波探头由远及近接近试块的过程中，首次有信号值在许可范围内超过阈值TFW，即表面一次回波的峰值点落入许可范围内，则自动停止z轴运动；
[0058] S13、超声纵波探头位置调整完毕后，为保证超声纵波探头声轴线与参考试块上表面严格垂直，需要控制运动平台的A、B轴调整超声纵波探头的姿态来对准参考试块，其中通过结合原始超声A波信号波形可实现探头姿态的自动调整，当表面一次回波幅值最大时，可认为探头的声轴线与试块被测点位的上表面达到垂直，记录在A、B轴连续运动中，不同姿态所得到的表面波反射幅值，最后定位到表面一次回波幅值最强的姿态，完成姿态的自动调整，姿态的自动调整保证了操作的简便性和测试的可重复性；
[0059] S14、调整数据采集卡的采样长度N，使原始超声A波信号足以呈现表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波；接着对采集到的原始信号用信号平均技术进行滤波，设信号平均次数为N，则连续采集N组超声A波信号可依次记为A1(n)，A2(n)，...，AN(n)，则平均后的信号 为
[0060]
[0061] 随着N的增大，随机电噪声幅值的方差以N倍下降，N一般选择为40 至60次即可有效的抑制随机噪声，提高评价方法的抗干扰能力；又因为直流分量对声学特征量的准确计算有严重的影响，所以选取始发波和表面回波之间的一段电噪声信号作为参考，记为参考信号R(n)，通过计算其幅值的均值 来逼近直流分量，并在 中减去 以实现直流分量的消除，至此完成信号的前处理；
[0062] S15、最后储存该点位射频模式下的经过前处理的超声A波信号，每个参考试块采集S个经过前处理的A波信号，记第k个试块的第j个(j＝1，2，...，S)经过前处理的超声A波信号为 并对原始超声A波信号设置双闸门，手动调整两个闸门的起始位置和闸门长度，分别以矩形窗截取其表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波，分别记为 和 接着更换下一个试块，即使k＝k+1，重复步骤S12、S13、S14、S15；
[0063] S16、每个参考试块任意选取3个检测面，分别进行切割、镶嵌、磨样及抛光，并配置浸蚀剂，对各检测面进行浸蚀，用金相显微系统进行拍照，根据GB/T 6394-2002对各参考试块每个检测面随机选取5个视场，利用测量网格进行平均晶粒尺寸的截线法测量，得到各个参考试块多个截面的平均晶粒尺寸分别记为Dk，为晶粒尺寸评价模型的建立作准备；
[0064] 上述步骤中所述经过前处理的超声A波信号的采集数量为S个，其目的在于多次测量取平均值，S的具体数值可根据实际需要确定；
[0065] S2、构造衰减速率系数，利用步骤S1得到的超声A波信号的表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波，计算衰减速率系数及平均衰减速率系数，建立不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型，具体包括以下步骤：
[0066] S21、构造如下的超声衰减速率系数
[0067]
[0068] 式中，α为超声衰减系数，cL为超声纵波声速，u＝α·cL为所构造的超声衰减速率，fa为数据采集卡的
采样频率，其他参数如图3所示，nFW是表面一次回波 的峰值点BW1 BW2位置，n 是底面一次回波 的峰值点位置，n 是底面二次回波 的峰值点位置；
[0069] 所构造的超声衰减速率只与超声信号本身相关，不含被测对象的厚度测量值，从量纲分析可知，α的量纲为Np/m，cL的量纲为m/s，故u的量纲为Np/s，即超声衰减速率可理解为
超声波在传播过程中单位时间内的衰减量，以其为声学特征量对平均晶粒尺寸进行评价，则无需进行测厚；
[0070] S22、利用步骤S1得到的第k个参考试块第j个经过前处理的超声A波信号的表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波，即 和 计算第k个参考试块第j个经前处理的超声A波信号中的衰减速率为
[0071]
[0072] 式中uk，j是第k个参考试块第j个信号的衰减速率， 是第k个参考试块第j个信号的表面一次回波峰值点位置， 是第k个参考试块第j个信号的底面二次回波峰值点位置， 和 分别是第k个参考试块第j个信号的表面一次回波、底面一次回波和底面二次回波峰值；
[0073] S23、计算第k个参考模块的S个超声A波信号的平均衰减速率，如式(4)[0074] ；
[0075] S24、对步骤S23得到的平均衰减速率和步骤S1得到的平均晶粒 尺寸进行最小二乘法线性拟合，拟合直线为
[0076]
[0077] 式中，拟合值的单位为μm，且拟合系数{d0，d1}的求法为
[0078]
[0079] 解上述的法方程组即可得到拟合系数{d0，d1}，式中运算符(，)表示求两向量内积，具体为
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 将式(7)的结果代入式(6)，解得拟合系数{d0，d1}，此时式(6)即本发明所建立的不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型；
[0087] S3、基于步骤S2得到的不含厚度测量值的晶粒尺寸超声评价模型，对晶粒尺寸未知的测试试块进行晶粒尺寸无损评价及验证，包含以下步骤：
[0088] S31、制备测试试块，将φ25mm的棒材用线切割获得K’个高15mm的坯料，用高温炉进行固溶处理，接着再对所有测试试块进行去应力退火，热处理后对各测试试块进行磨样，去除表面氧化层；
[0089] S32、将第k’个测试试块(k’＝1，2，...，K’)置于水槽中，用步骤S1中的方法采集超声A波信号并进行前处理，用步骤S2中的建立评价模型即式(6)，计算测试试块的平均晶粒尺寸评价值；
[0090] S33、对每个测试试块任意选取3个检测面，分别进行切割、镶嵌、磨样及抛光，并配置浸蚀剂，对各检测面进行浸蚀，用金相显微系统进行拍照，根据GB/T 6394-2002对各测试试块每个检测面随机选取5个视场，进行平均晶粒尺寸的截线法测量，最后与平均晶粒尺寸评价值进行比对。
[0091] 图2为本发明中超声信号采集系统结构示意图，所述超声信号采集系统包括工控机1-用于控制底层
硬件和运算；高速数据采集卡2-用于采集超声A信号；超声仪3-用于激励和接收超声探头信号；超声纵波探头4-用于发射和接收超声波；运动控制卡5-用于通过上位机控制运动平台控制电路；控制电路6-用于操控运动平台；六自由度运动平台7-包含x、y、z方向的三个自由度及相应的三个转动方向自由度；探头架8-用于连接运动平台和超声探头、试块9-被测的304不锈钢试块；水槽10；纯净水11-作为超声波传播的耦合剂。
[0092] 本实例中六自由度运动平台7采用上海思雀柯信息科技有限公司生产的CYS-1100型六自由度运动平台，高速数据采集卡2采用台湾凌华的PCI-9852数字采集卡，超声仪3采用Olympus的5072PR型超声脉冲发生/接收器，超声纵波探头4采用V312-SU型的圆形高
分辨率水浸超声纵波平探头，金相分析时用到Buehler的MetaServ 250型双盘
研磨抛光机，及Leica的DM4000M型金相
显微镜。本具体实施方式以一批牌号选用TP304不锈钢为例，来说明本发明的评价方法。制备的参 考试块共9个即#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7，测试试块2个即T1和T2，且T1试块的厚度不足5mm，试块的有关参数如表1所示。
[0093] 表1试块的有关参数
[0094]
[0095] 采用本发明的方法，首先通过步骤S1分别得到7个参考试块各20个经过前处理的超声A波信号，下一步进行金相分析，用金相显微镜获得如图4a-4i所示的金相图，分别对应#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7及T1、T2试块，用截线法得到的平均晶粒尺寸可见表1。再利用步骤S2求七个试块的平均衰减速率系数，并建立评价模型，得到基于衰减速率的平均晶粒尺寸超声无损评价模型，图像如图5所示，具体的表达式为
[0096]
[0097] 式(8)中拟合相关系数R2为0.9795。最后利用步骤S3，用式(8)的模型对测试试块T1、T2进行平均晶粒尺寸的无损评价，表2展示了本实例的评价结果以及误差分析。
[0098] 表2本实例的评价结果以及误差分析
[0099]
[0100] 如表2所示，由于本文方法只需要回波的峰值点时域信息，因此 有效抑制了薄壁导致的声波混叠对本发明的影响，对于厚度只有4.934mm的验证试块T1，误差控制在5％范围内。另一方面，如果用不含试块厚度修正的传统背散射法进行评价，散射波有效长度不足，时域的背散射强度偏大，则评价结果就有可能偏大。显然，本发明方法可评价的试块厚度范围比背散射法有所放宽。
[0101] 最后，实测一段核电用TP304不锈钢方管的晶粒尺寸，分析本发明在实际工程应用中的性能。被测对象为AP1000反应堆余热排出换热器
支撑用的TP304不锈钢方管，设计的壁厚为12.7±0.6mm。任意选取轴线上的一个点位进行实验，方管在不进行纵向剖切时，难以测量实际壁厚。最终衰减速率法的评价值平均为96.9μm；剖切方管后，通过金相法测得该点位的晶粒尺寸平均为93.2μm，且测量壁厚后发现，实际壁厚为13.284mm，接近壁厚公差的上极限值。如果用需含试块厚度的衰减法进行评价，在剖切前壁厚只能采用公称尺寸12.7mm计算，对于上述点位由于所设定的壁厚小于实际壁厚13.284mm，衰减系数值计算结果偏大，故评价结果偏大导致误检。
[0102] 本发明的方法，无需对厚度进行测量，规避了被测对象厚度测量不便和测量不准对后续平均晶粒尺寸的影响，节省了厚度测量的步骤，使检测设备成本和检测工时得到明显减少，也解决了壁厚测量不便时难以进行晶粒尺寸无损评价的问题；对于薄壁对象，由于只需要回波的峰值点时域信息，所以有效抑制了声波混叠的影响；并利用了信号平均技术作为主要的前处理手段，有效提高了本发明方法的抗干扰能力。可见，本发明的方法提供了一种不受厚度影响并可有效评价金属材料晶粒尺寸的手段。
[0103] 以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、
修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
