建立铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及对核电和化工领域常用的铸造粗晶奥氏体
不锈钢材料进行
无损检测及评价领域，尤其涉及建立作为
焊接母材的铸造奥氏体不锈钢的等轴晶声学特性计算模型的方法，以及利用该模型对铸造奥氏体不锈钢材料进行超声无损检测的方法。
背景技术
[0002] 铸造奥氏体不锈钢广泛用于核电和化工领域。由于该材料中的等轴晶区中的晶粒组织粗大，晶粒弹性
各向异性明显，导致
超声波在该材料中传播时出现声速变化(即声速扰动)、
相位畸变、频散等现象，进而导致检测
信号噪声大，
信噪比低，给超声无损检测带来很大难度。
[0003] 为解决上述问题，本领域的技术人员利用法国
原子能委员会开发的CIVA仿真
软件针对铸造奥氏体不锈钢材料中的等轴晶区建立了模拟检测模型，并用该模拟检测模型来模拟
超声波在晶粒粗大的铸造奥氏体不锈钢材料中的传播过程，以利用模拟仿真结果指导实际检测。具体操作如下：
[0004] 首先，利用CIVA仿真软件建立模拟检测模型，并用泰森多边形(Voronoi)功能在模拟检测模型中建立与实际检测试样中的晶粒尺寸相同的等轴晶晶粒模型。然后，对检测试样进行超声波无损检测实验，并根据检测结果设定等轴晶晶粒模型内部材料的参数声速扰动、衰减系数，并添加随机分布的散射点，模拟检测模型建立完成。最后，通过声场模拟和
缺陷响应两个模
块来对铸造奥氏体不锈钢材料的超声无损检测过程进行模拟仿真。
[0005] 该方法虽然能够用来模拟铸造奥氏体不锈钢材料超声无损检测过程中超声波声场分布和缺陷的声学响应，进而对实际检测进行指导，但是，使用CIVA仿真软件建立的模拟检测模型仿真
精度低。另外，由于CIVA仿真软件价格高，导致建模成本高。
[0006] 综上可见，利用现有的建模方法建立的铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型仿真精度低，且建模成本高。
发明内容
[0007] 为提高作为焊接母材的铸造奥氏体不锈钢的等轴晶声学特性计算模型的仿真精度，降低建模成本，
发明人对铸造奥氏体不锈钢的材料属性进行认真研究分析，发现：铸造奥氏体不锈钢材料的
晶界存在一定的偏析和杂质，机械结合弱，导致声振动透过困难，晶界声阻抗大于晶内声阻抗。这种晶内与晶界的声阻抗差异导致超声波在铸造奥氏体不锈钢材料中传播时会发生多次散射，从而影响材料的声学特性。而利用CIVA仿真软件建立模拟检测模型时，需将该模型中不同的晶粒均按照弹性各向同性处理，导致模拟检测模型不能够从本质上反映晶粒粗大的铸造奥氏体不锈钢晶粒弹性各向异性的材料属性，进而导致模拟检测模型的仿真精度低。另外，建模人员在对声速扰动等参量进行设定时，具有一定的主观性，这也可能导致建立的模拟检测模型仿真精度低。
[0008] 本发明提出一种建立铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型的方法，包括如下步骤：
[0009] 一、切取铸造奥氏体不锈钢中的等轴晶区作为检测试样，测量该检测试样的长L实、宽W实和高H实，并统计出所述检测试样中的晶粒的平均直径d实；
[0010] 二、用中心
频率为f的实际超声信号A实对所述检测试样进行超声无损检测，并根据产生的实际底面回波信号A实回计算出所述实际超声信号A实在所述检测试样中传播的声速v实和衰减系数α实；
[0011] 三、用
数据处理绘图软件建立模拟检测模型，该模拟检测模型为长L模＝L实且宽W模＝H实的矩形结构，在该模拟检测模型中设置有N个平均直径d模＝d实的泰森多边形状的等轴晶晶粒模型，且 所述等轴晶晶粒模型的晶界和晶内的弹性参数中的材料
密度分别为ρ晶界和ρ晶内，且ρ晶界＝ρ晶内；
拉梅常数分别为λ晶界和λ晶内及μ晶界和μ晶内，且λ晶界≠λ晶内或μ晶界≠μ晶内；
[0012] 四、用所述数据处理绘图软件生成中心频率为f的模拟超声信号A模，并根据产生的模拟底面回波信号A模回计算出所述模拟超声信号A模在所述模拟检测模型中传播的声速v模和衰减系数α模；
[0013] 五、计算出所述模拟超声信号A模在所述模拟检测模型中传播相对于所述实际超声信号A实在所述检测试样中传播的声速误差Δv和衰减系数误差Δα，当所述声速误差Δv和/或所述衰减系数误差Δα大于或等于5％时，修正所述模拟检测模型中等轴晶晶粒模型的晶界和晶内弹性参数，直至所述声速误差Δv和所述衰减系数误差Δα均小于5％，所述铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型建立完成。
[0014] 该方法在建立铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型时，考虑了检测材料中晶界与晶内的声阻抗差异，能够从本质上反映粗晶弹性各向异性对材料声学特性的影响规律，仿真精度高。另外，可选用多种数据处理绘图软件建立铸造奥氏体不锈钢的等轴晶声学特性计算模型，使用方便且建模成本低，建模步骤简单且模型参数设置灵活，建模效率高。
[0015] 优选地，在所述步骤一中，采用晶粒截点法统计所述检测试样中的晶粒的平均直径。这样，可提高统计精度，进而提高建模精度。
[0016] 优选地，在所述步骤一中，在对所述检测试样进行测量统计前，先依次进行打磨、
抛光和
腐蚀操作。进一步地，采用机械打磨，并在打磨过程中依次使用号数由粗到细的
砂纸；采用机械抛光，且在抛光过程中，先
粗抛光，再精抛光；所述腐蚀操作所用的腐蚀液由
盐酸、
硝酸和重铬酸
钾混合形成，且配比比例为
质量分数为37.5％的盐酸100ml、质量分数为67％的硝酸10ml以及重铬酸钾5g。这样，能够清晰完整的呈现检测试样中的晶粒的形状及尺寸，进而使工作人员能够准确统计出检测试样中晶粒的平均直径。
[0017] 优选地，在所述步骤三中，在初次设定所述模拟检测模型中等轴晶晶粒模型的晶内和晶界弹性参数时，所述晶内弹性参数设定为
碳钢晶粒的弹性参数，所述晶界弹性参数设定为畸变的
碳钢晶粒的弹性参数。这样，可以提高出现满足检测需要的仿真结果的概率，进而降低建模成本。
[0018] 优选地，在所述步骤二中，在所述实际底面回波信号A实回的
波形图上找出一次回波和二次回波的幅值h1和h2，以及该一次回波的波峰和二次回波的波峰对应的坐标(t1，h1)和(t2，h2)，t1和t2分别是所述一次回波和所述二次回波的波峰出现的时间，利用上述数据计算出所述声速v实和所述衰减系数α实。进一步地，在所述步骤四中，利用时域有限差分法计算出所述模拟超声信号A模在所述模拟检测模型中传播时产生的底面回波信号A模回的波形图，并采用所述步骤二中的方法计算出所述声速v模和衰减系数α模。
[0019] 优选地，在所述步骤五中，当所述声速误差Δv和所述衰减系数误差Δα均大于或等于5％时，拉梅常数λ和μ的修正值为原设定值的±5％，材料密度ρ的修正值为原设定值的±1％；当所述声速误差Δv或所述衰减系数误差Δα大于5％时，拉梅常数λ和μ的修正值为原设定值的±1％，材料密度ρ的修正值为原设定值的±0.2％。
[0020] 优选地，所述数据处理绘图软件为MATLAB软件。由于MATLAB软件是常用的数据处理绘图软件，可进一步降低建立铸造奥氏体不锈钢材料的等轴晶声学特性计算模型的成本。
[0021] 本发明在建立铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型时，考虑晶界、晶内声阻抗差异，将晶内介质等效为碳钢晶粒，晶界介质等效为畸变的碳钢晶粒，能够从本质上反映奥氏体粗晶弹性各向异性的材料属性，使模拟计算结果与实际更为接近，提高了铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型的仿真精度。利用常用的数据处理绘图软件进行建模，提高了建模效率，降低了建模成本。
[0022] 另外，本发明还提出一种超声无损检测方法，利用上述任意一种方法建立的铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型模拟所述实际超声信号A实在所述检测试样中传播的过程，并根据仿真结果对实际检测过程进行指导并调整检测工艺，完成对铸造奥氏体不锈钢材料的超声无损检测。该超声检测方法利用铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型进行仿真模拟实验得到的仿真模拟结果对超声波无损检测过程进行指导时，可以有针对性地调整无损检测工艺，提高检测效率，降低检测成本。
附图说明
[0023] 图1是本发明建立铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型的
流程图；
[0024] 图2是本发明中实际超声信号和模拟超声信号的A扫描信号波形图；
[0025] 图3是本发明中建立的模拟检测模型的示意图；
[0026] 图4是图3中I的局部放大示意图。
具体实施方式
[0027] 本发明建立的铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型的方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0028] 一、选取待检测试样，测量出该检测试样的长、宽和高，并统计出该检测试样中晶粒的平均直径。
[0029] 首先，选取铸造奥氏体不锈钢材料作为检测材料，并对检测材料进行打磨、抛光和腐蚀操作，使其表面出现清晰可见的晶粒组织，可采用金相法进行观察。然后，将检测材料中的等轴晶区切割成长方体块状的检测试样，并用游标卡尺测出该检测试样的长L实、宽W实和高H实。最后，利用金相
显微镜观察该检测试样中的晶粒的形貌，并采用晶粒截点法统计出该检测试样中的晶粒的平均直径d实。
[0030] 在对检测材料进行打磨时，采用机械打磨，且在打磨过程中依次采用号数从粗到细的砂纸，并在更换不同号数的砂纸时，先用
水或超声波将检测材料的表面清洗干净，以避免检测材料将粗砂粒带到细砂纸上，影响打磨效果。
[0031] 在对打磨后的检测材料进行抛光时，采用机械抛光，且在抛光过程中，先粗抛光，再精抛光。优选地，将抛光后的检测材料洗净并
风干，以避免检测材料表面残留有水迹或污物。
[0032] 在抛光完成后，将抛光后的检测材料置于腐蚀液中进行腐蚀，使检测材料的金相组织结构能够清晰地显示出来，以便于利用金相观察法统计出检测材料中的等轴晶区晶粒的平均直径。优选地，所用的腐蚀液由盐酸、硝酸和重铬酸钾混合形成，且配比比例为质量分数为37.5％的盐酸100ml、质量分数为67％的硝酸10ml及重铬酸钾5g。
[0033] 二、对检测试样进行超声无损检测，并计算出实际超声信号在检测试样中传播的声速和衰减系数。
[0034] 首先，使超声波
探头向检测试样发出中心频率为f的实际超声信号A实，同时利用超声波探伤仪采集该实际超声信号A实在该检测试样中传播时产生的A扫描信号即实际底面回波信号A实回，并得到该实际底面回波信号A实回的波形曲线SA实回，如图2所示。然后，在该波形曲线SA实回上找出其一次回波和二次回波的幅值h1和h2以及一次回波和二次回波波峰对应的坐标(t1，h1)和(t2，h2)，并根据公式(1)和(2)：
[0035] v＝2L/(t2-t1) (1)
[0036]
[0037] 其中，L＝L实、t1是一次回波波峰出现的时间，t2是二次回波波峰出现的时间，计算出实际超声信号A实在该检测试样中传播的声速v实和衰减系数α实。
[0038] 三、建立模拟检测模型。
[0039] 利用MATLAB软件建立如图3所示的长和宽分别为L模和W模的矩形结构的模拟检测模型，且L模＝L实，W模＝H实，该模拟检测模型中设置有N个如图3和4中所示的平均直径为d模的泰森多边形状的等轴晶晶粒模型，且 d模＝d实。在等轴晶晶粒模型中设定的晶界弹性参数分别为材料密度ρ晶界和拉梅常数λ晶界及μ晶界，晶内弹性参数分别为材料密度ρ晶内和拉梅常数λ晶内及μ晶内，ρ晶界＝ρ晶内，且λ晶界≠λ晶内或μ晶界≠μ晶内。由于铸造奥氏体不锈钢和碳钢都是
铁基材料，且铸造奥氏体不锈钢是采用
离心铸造工艺铸造而成的，其组织粗大且弹性各向异性明显的晶粒可以看作是由各向同性的碳钢晶粒在
凝固过程中随晶界的扩散而增加尺寸并沿某些取向择优生长而成的，故优选地，在初次设置等轴晶晶粒模型中的晶内和晶界弹性参数时，晶内弹性参数设置为碳钢晶粒的弹性参数，晶界弹性参数设置为畸变的碳钢晶粒的弹性参数。这样，初次设定的晶界及晶内弹性参数比较接近其实际值，可提高出现满足检测需要的仿真结果的概率，进而降低超声无损检测成本。当然，也可以使用其他数据处理绘图软件来建立模拟检测模型。
[0040] 四、进行仿真实验，并计算出模拟超声信号在模拟检测模型中传播的声速和衰减系数。
[0041] 首先，利用MATLAB软件生成一个中心频率与实际超声信号A实的中心频率f相同的模拟超声信号A模。然后，将模拟检测模型划分成多个网格，即设定时域有限差分计算用的步长，再将模拟超声信号A模加在该模拟检测模型上，并将
波动方程写成差分形式，从而利用MATLAB软件计算得出模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播时产生的模拟底面回波信号A模回，并生成如图2所示的波形曲线SA模回。最后，采用步骤二中的计算方法计算出该模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的声速v模和衰减系数α模。
[0042] 五、计算模拟超声信号在模拟检测模型中传播相对于实际超声信号在检测试样中传播的声速误差及衰减系数误差，并根据误差值修正等轴晶晶粒模型的晶界和晶内弹性参数：
[0043] 利用公式(3)计算出模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的声速v模相对于实际超声信号A实在检测试样中传播的声速v实的误差，即声速误差Δv。利用公式(4)计算出模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的衰减系数α模相对于实际超声信号A实在检测试样中传播的衰减系数α实的误差，即衰减系数误差Δα。
[0044] Δv＝|(v模-v实)|/v实 (3)
[0045] Δα＝|(α模-α实)|/α实 (4)
[0046] 当Δv和/或Δα大于或等于5％时，需在MATLAB软件中对模拟检测模型中等轴晶晶粒模型中的晶界和晶内弹性参数进行修正。具体修正方法如下：
[0047] 当Δv和Δα均大或等于于5％时，拉梅常数λ和μ的修正值为原设定值的±5％，材料密度ρ的修正值为原设定值的±1％；当Δv或Δα大于或等于5％时，拉梅常数λ和μ的修正值为原设定值的±1％，材料密度ρ的修正值为原设定值的±0.2％，直至Δv和Δα均小于5％，修正完成，即铸造奥氏体不锈钢的等轴晶声学特性计算模型建立完成。
[0048] 在对作为焊接母材的铸造粗晶奥氏体不锈钢进行超声无损检测时，可利用铸造奥氏体不锈钢的等轴晶声学特性计算模型来模拟超声波在待检测的铸造奥氏体不锈钢中的传播过程，并根据仿真结果对实际检测进行指导。这样，在进行实际检测时，可根据仿真结果有针对性地对无损检测工艺进行调整，进而缩短检测耗时，提高检测效率，降低检测成本。
[0049]
实施例：建立铸造奥氏体不锈钢等轴晶声学特性计算模型的方法
[0050] 先对铸造粗晶奥氏体不锈钢试样进行打磨、抛光，再用由配比比例为质量分数为37.5％的盐酸100ml、质量分数为67％的硝酸10ml及重铬酸钾5g的腐蚀液腐蚀30分钟(min)，且腐蚀液的
温度为70℃。然后，在腐蚀后的铸造奥氏体不锈钢试样的等轴晶区切割出长、宽、高分别为50mm、30mm和30mm的检测试样。最后，利用晶粒截点法统计出该检测试样的晶粒平均直径为1mm。
[0051] 利用中心频率为1MHz的纵波探头向检测试样发出时间超声信号A实，然后根据采集得到的A扫描信号计算得出实际超声信号A实在检测试样中传播的声速v实为5810m/s、衰减系数α实为0.23dB/mm。
[0052] 在MATLAB软件中建立长为50mm，宽为30mm的矩形，并在该矩形中设置1500个平均直径为1mm的泰森多边形。然后，在该泰森多边内将晶内的弹性参数设置为碳钢晶粒的3
弹性参数，其中，ρ晶内＝7900kg/m，λ晶内＝113.2GPa，μ晶内＝80.9GPa；将晶界的弹性参
3
数设置为畸变的碳钢晶粒的弹性参数，其中，ρ晶界＝7900kg/m，λ晶界＝130GPa，μ晶界＝
90.0GPa。此时，模拟检测模型建立完成。
[0053] 在MATLAB软件中进行中心频率为1MHz的模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的仿真实验，并计算出模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的声速v模和衰减系数α模，以及模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的声速v模相对于实际超声信号A实在铸造奥氏体不锈钢材料中传播的声速v实的误差，即声速误差Δv和模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的衰减系数α模相对于实际超声信号A实在铸造奥氏体不锈钢材料中传播的衰减系数α实的误差，即衰减系数误差Δα。经修正后，模拟检测模型中等轴晶晶粒模型的3
晶内弹性参数ρ晶内＝7900kg/m，λ晶内＝113.2GPa，μ晶内＝80.9GPa，晶界的弹性参数ρ
3
晶界＝7900kg/m，λ晶界＝133.2GPa，μ晶界＝90.9GPa。此时，模拟超声信号A模在模拟检测模型中传播的声速v模为5780m/s，衰减系数α模为0.24dB/mm，声速误差Δv为0.5％，衰减系数误差Δα为4.2％，均小于5％，满足工程要求，铸造奥氏体不锈钢的等轴晶声学特性计算模型建立完成。
