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原文传递一种双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法

专利名称：	一种双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法
摘要：	本发明公开了一种双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，包括以下步骤：S1：使用金相法和显微硬度计测量参考试件的晶粒尺寸与对应位置硬度；S2：搭建支持信号采集和波形数据输出的液浸式超声测量系统，并获取参考试件的超声背散射信号作为参考信号；S3：采集并导出n组待测工件的超声背散射信号计算其时域空间方差曲线；S4：根据步骤S1、S2的测量数据及所搭建测量系统的换能器参数、超声声场传播特性、待测材料属性函数导出理论时域超声背向单散射模型；S5：将理论模型φI(t)与实测数据的空间方差曲线φT(t)做拟合匹配，反解出随超声传播时间的硬度变化曲线，将其换算为随深度的硬度变化曲线。本发明的有益效果是：能准确测量金属内部材料硬度分布。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	重庆;50
申请人：	重庆大学
发明人：	陈平;李长泽;商秋仙
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-09T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-17T00:00:00+0800
申请号：	CN202310995827.X
公开号：	CN117074525A
代理机构：	重庆为信知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	唐攀
分类号：	G01N29/04;G01N29/44;G;G01;G01N;G01N29;G01N29/04;G01N29/44
申请人地址：	400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正街174号
主权项：	1.一种双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于，包括以下步骤： S1：使用金相法和显微硬度计测量参考试件的晶粒尺寸与对应位置硬度； S2：搭建支持信号采集和波形数据输出的液浸式超声测量系统，并获取参考试件的超声背散射信号作为参考信号； S3：采集并导出n组待测工件的超声背散射信号计算其时域空间方差曲线φT(t)；空间方差曲线φT(t)为：式中，Vmax为步骤S2所获取的参考信号中第一次表面回波的峰值电压，n为步骤S3中所导出的信号组数，Vi(t)为第i个背散射波在t时刻的电压值； S4：根据步骤S1、S2的测量数据及所搭建测量系统的换能器参数、超声声场传播特性、待测材料属性函数导出理论时域超声背向单散射模型；理论时域超声背向单散射模型原始方程如下：上式是源函数及接收函数(WS、WR)与量化材料微观结构八阶张量K的双重卷积，即为从源换能器WS出发，经材料内部微观结构散射一次(通过η)，最后被接收换能器WR接收的所有可能能量状态的积分； S5：将理论模型φI(t)与实测数据的空间方差曲线φT(t)做拟合匹配，反解出随超声传播时间的硬度变化曲线，而后将其换算为随深度的硬度变化曲线。 2.根据权利要求1所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：所述参考试件与待测工件的材质相同。 3.根据权利要求1所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：在所述步骤S2中，获取参考信号时，换能器应垂直于所述参考试件表面，且与参考试件间的距离等于其焦距，并要求超声信号在参考试件上的入射表面应为平面。 4.根据权利要求1所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：在所述步骤S4中，基于高斯声束模型并根据测量系统的组成，可将(3)式量化为：式中，下标S、R分别代表源换能器参数和接收换能器参数，公式前两行表征了超声测试系统参数，w(z)表示沿z轴方向的高斯声束宽度，ρ和ρf分别表示金属材料和液体介质的密度，cT和cf分别表示材料横波声速和液体介质中声速，TfT和TTf分别表示从液体介质到材料和从材料到液体介质的透射系数，Rff是反射系数，D(ω0)是衍射修正，ω0是换能器角频率，θi和θr分别表示声束进入材料的入射角和折射角，σ为换能器脉冲宽度，αf是超声在液体介质中的衰减系数，zF是换能器在液体介质中的焦距，zf是超声在液体介质中的路径距离，第三行表征了与材料内部微观结构相关的背散射系数，ST→T(θps,H)是散射晶粒的形状因子，该函数表达了材料内晶粒的取向和形状变化，θps代表入射波矢量p与散射波矢量s间的夹角，H代表局部硬度，Ξ是八阶协方差张量内积，剩余的部分表征了换能器高斯声束，t是声束传播时间(自变量)，αT为横波衰减，X、Y、Z是涉及换能器位置的坐标变换。 5.根据权利要求1所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：在所述步骤S5中，根据理论模型对硬度的单调变化范围代入一系列硬度值，先对每一采样时刻t′取\|\|φI(t′)-φT(t′)\|\|-∞所对应的硬度值作为初始硬度H′(t)，而后通过循环迭代降低匹配误差，获取与超声传播时间相关的硬度变化曲线H(t)。 6.根据权利要求3所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：在所述步骤S2中，液浸式超声测量系统包括水浸式超声聚焦探头、超声脉冲发射/接收器、数字示波器以及三维位移台，其中，所述三维位移台用于控制水浸式超声聚焦探头与工件之间的相对位置关系，以及用于测试标定探头在水中的焦距zF、脉冲宽度σ。 7.根据权利要求6所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：所述水浸式超声聚焦探头的电磁波频率为20Mhz。 8.根据权利要求1所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：在所述步骤S1中，先使用冷切割方法沿淬深方向切开参考试件，并将截面经粗磨、精磨、抛光、酸蚀后使用金相显微镜从参考试件边缘向内5mm以步长0.2mm拍摄金相组织图，并根据GB/T6394—2017方法获取晶粒平均尺寸，随后在同一位置处使用显微维氏硬度计获取对应硬度值，以此标定晶粒尺寸与硬度之间的关系： H(L)＝H0+λL-1/2 (1) 式中，H0为单晶硬度，λ为材料相关常数。 9.根据权利要求4所述的双相梯度结构金属材料硬度分布无损测定方法，其特征在于：在步骤S5中，所涉及的物理量包括测试系统参数(液体焦距zF＝12.7mm、脉冲宽度σ＝0.4μs、中心频率f＝20MHz、探头直径d＝6mm、液体密度ρf＝1000kg/m3、液体声速cf＝1476.2m/s、液体衰减αf＝2.53Np/m、入射角θi＝22°、水声距zf＝7.42mm)，工件参数(横波声速cT＝3235m/s、衰减系数αT＝12.5Np/m、密度ρ＝7850kg/m3、刚度矩阵参数c11＝219.2GPa、c12＝136.8GPa、c44＝109.2GPa)；首先令则有基于式(13)对H的隔根区间，取H为[100,1000)HV，步长为1，共计900个点，而后将其分别带入式(13)，对每一采样时刻t′取使运算结果绝对值最小的硬度值作为初步反解的硬度值H′(t)；使用牛顿迭代法进一步获取精确解，当满足\|Hk+1(t′)-Hk(t′)\|≤10-3时则终止迭代，最后根据则可得到随深度的硬度变化曲线H(t)。