CN109490417A - 一种金属材料平面各项异性超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种金属材料平面各项异性超声检测方法属于超声检测技术领域，涉及一种金属材料平面各项异性超声检测方法。该方法首先引入了平面各项异性表征因子，定义了平面各向异性表征因子。在金属材料平面内测量N个待测方向上的声时差，检测N个待测方向的超声波速，反求计算出平面各向异性表征因子。该方法充分考虑了超声波传播过程中偏振方向发生改变和声双折射现象，实现接触式超声自动可靠测量，测量误差小，提升了测量的稳定性与可靠性。且操作方便，成本低，适用范围广。该方法也可以用于机床主轴检测，实现接触式超声自动可靠测量，提高测量精度与检测效率。

Description

一种金属材料平面各项异性超声检测方法

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，涉及一种金属材料平面各项异性超声检测方法。

背景技术

实际生产中，由于存在晶粒延伸和再结晶等现象，金属材料原始晶粒随机分布状态被破坏，在其内部产生具有优先取向的织构，造成不同方向上呈现出不同的材料力学特性，使得其具有各向异性特征。以成形后的金属薄壁件为例，如旋压、滚压等，材料表面具有平面各项异性的特征。在现有无损检测方法中，超声法常被用于材料参数和特征测评。然而，在金属材料常数超声测定时，往往假设被测材料各项同性，而忽略了材料各项异性的影响，这导致传统的材料常数超声检测法的灵敏度低、测量精度难以保证。为此，定量测评材料平面各项异性特征，对材料常数确定、力学分析和状态评估至关重要。

对于具有平面各向异性特征的金属材料，平面内各方向上材料弹性常数分布不同。当超声波沿不同方向传播时，会产生不同的相速度。基于此，可以利用声时偏差，计算获得材料不同深度的平面各向异性常数，进而实现对材料平面各向异性特征的超声测评。

张金铎等人在实用新型专利“金属薄板弹性各向异性全自动检测仪”，公开号为CN2085981U的专利中，发明了利用超声波对金属薄板透射系数随入射角变化的原理，测量获得金属薄板沿各个待测方向的各向杨氏模量、切变模量及泊松比等材料常数，但无法适用于平面各向异性测评。米克尔·坦泰尔等人在专利“用于表征弱的各向异性软介质的超声波方法和设备、以及用于该表征设备的超声探头组件”，公开号为CN106232013A的专利中，发明了通过在不同方向上观测材料中心处发出的剪切波，推测传播参数来确定各向异性，但该方法只针对材料内部包含纤维材料的各向异性软介质材料。

然而，上述方法或装置均未提及金属材料平面各项异性超声检测与评估方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对金属材料各向异性超声检测与评估难题，发明了一种金属材料平面各项异性超声检测方法。该方法，首先引入了平面各项异性表征因子，实现了平面各向异性特征的定量刻画。给出综合评价待测区域各向异性的指标，可定性定量描述金属材料表面各项异性。采用多角度测量波速的方法，充分考虑了超声波传播过程中偏振方向发生改变和声双折射现象，仅需要三个方向的折射纵波波速，即可测得晶粒取向表征因子。测量误差小，提升了测量的稳定性与可靠性测评方法，可靠性高。

本发明采用的技术方案是一种金属材料平面各项异性超声检测方法，该方法首先引入了平面各项异性表征因子，定义了平面各向异性表征因子K₂₂和K₁₂；在金属材料平面内测量N个待测方向上的声时差，检测N个待测方向的超声波速，反求计算出平面各向异性表征因子；方法的具体步骤如下：

第一步，安装试件及超声探头

金属试件1固定于测量平台上，确定金属试件1上待测点O处的N个测量方向，N＝1,2,3，......n,在N个方向上分别进行测量，即第一测量方向b₁、第二测量方向b₂，......第n测量方向b_n；超声波接收器3和超声波发射器4构成超声探头2，将超声探头2置于金属件1上待测点O处，保证超声探头2与被测表面可靠接触，并且，使得超声探头2中心与待测点O重合，超声探头2的中轴线与第一测量方向b₁重合；

第二步，引入了平面各项异性表征因子，定量刻画平面各项异性；

定义材料平面各向异性的两个表征因子，金属平面正交各向异性参数K₂₂和金属平面耦合各向异性参数K₁₂，

其中，c₁₁、c₁₂、c₂₂及c₆₆为Voigt表示法中的材料弹性常数、ρ为待测材料密度；

金属平面正交各向异性参数K₂₂，用于表征同样大小的应变分别施加于试件平面的两个正交主方向时，对应方向产生的应力之间的差别程度；金属平面耦合各向异性参数K₁₂，用于表征应变作用于材料平面某一主方向时，各向异性材料在平面另一主方向上产生的应力相对于各向同性材料的应力增量；

第三步，检测平面内的超声波速

首先，确定待测点O处的测量方向N＝1,2,3，即第一测量方向b₁、第二测量方向b₂和第三测量方向b₃。然后，将超声探头2置于待测点O，使得超声探头2中心与待测点O重合，以及超声探头2的中轴线与第一测量方向b₁重合，并保证超声探头2与被测表面可靠接触；接着，在信号调控***的控制下，超声波发射器4发出的超声脉冲激励信号，在金属试件1表面传播一定距离L后，被超声波接收器3接收；将超声波发射器4发出的超声脉冲激励信号与超声波接收器3接收到的接收信号按照公式(2)进行互相关计算，取两个互相关序列最大值所在位置之差，计算获得第一测量方向b₁的声时差t₁，

其中，X₁为超声脉冲激励信号，X₂为超声接收信号，T_s为采样周期，t₁为声时差，t为超声脉冲激励信号X₁与超声接收信号X₂相位差。

以待测点O为中心，将超声探头2逆时针增量旋转θ角，使得超声探头2的中轴线与第二测量方向b₂重合，按照第一测量方向b₁的操作步骤，获得第二测量方向b₂的声时差t₂。在此基础上，将超声探头2再次逆时针增量旋转θ角，使得超声探头2的中轴线与第三测量方向b₃重合，按照第一测量方向b₁的操作步骤，获得第三测量方向b₃的声时差t₃；

按公式(3)计算待测点O处三个测量方向的纵波波速，

其中，v₁为第一测量方向b₁的纵波波速、v₂为第二测量方向b₂的纵波波速、v₃为第三测量方向b₃的纵波波速，L为超声波发射器4与超声波接收器3之间的距离。

第三步，计算平面各项异性表征因子

将第一测量方向b₁的纵波波速v₁、第二测量方向b₂的纵波波速v₂和第三测量方向b₃的纵波波速v₃代入公式(4)，计算得出金属平面正交各向异性参数K₂₂和金属平面耦合各向异性参数K₁₂，

至此，检测计算出金属试件的平面各向异性参数。

本发明的效果是：该发明定义了两个平面各项异性表征因子K₁₂和K₂₂来表征金属板面内的各向异性，采用多角度测量波速的方法，仅需要三个方向的折射纵波波速就可以计算出材料的各向异性参数，即各向异性表征因子。充分考虑了超声波传播过程中偏振方向发生改变和声双折射现象，测量误差小，提升了测量的稳定性与可靠性，且操作方便，成本低，适用范围广。该方法也可以用于机床主轴检测，实现接触式超声自动可靠测量，提高测量精度与检测效率。

附图说明

附图1-金属平面各向异性表征因子检测示意图，其中：1-金属试件，2-超声探头，3-超声波接收器，4-超声波发射器。

附图2-金属平面各向异性表征因子检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施过程，说明金属材料平面各项异性超声检测方法。

测量参数：材料铝合金板、尺寸为150mm×150mm，厚度为10mm；超声波传感器3和4的谐振频率均为5MHz，两个超声传感器间距L为20mm。附图2是金属平面各向异性表征因子检测流程图,该方法的具体实施步骤如下：

第一步，安装试件及超声探头

如图1所示，金属试件1固定于测量平台上，确定金属试件1上待测点O处的测量方向，本实施例取在0°、45°、90°三个方向测量，记为第一测量方向b₀、第二测量方向b₄₅和第三测量方向b₉₀。再将超声探头2置于金属件1上待测点O处，保证超声探头2与被测表面可靠接触，使得超声探头2中心与待测点O重合，并且超声探头2的中轴线与第一测量方向b₀重合；

第二步，引入了平面各项异性表征因子，定量刻画平面各项异性测量计算三方向声速。定义材料平面各向异性的两个表征因子，金属平面正交各向异性参数K₂₂和金属平面耦合各向异性参数K₁₂。金属平面正交各向异性参数K₂₂，用于表征同样大小的应变分别施加于试件平面的两个正交主方向时，对应方向产生的应力之间的差别程度；金属平面耦合各向异性参数K₁₂，用于表征应变作用于材料平面某一主方向时，各向异性材料在平面另一主方向上产生的应力相对于各向同性材料的应力增量。

第三步，检测平面内的超声波速

在信号调控***的控制下，超声波发射器4发出的超声脉冲激励信号，沿被测金属试件1表面传播20mm的距离L后，被超声波接收器3接收；将超声波发射器4发出的超声脉冲激励信号与超声波接收器3接收到的接收信号进行互相关计算，按照前述公式(1)、(2)计算。取两个互相关序列最大值所在位置之差，计算获得第一测量方向b₀的声时差t₁。

以待测点O为中心，将超声探头2逆时针增量旋转45°，使得超声探头2的中轴线与第二测量方向b₄₅重合，按照第一测量方向b₀的操作步骤，获得第二测量方向b₄₅的声时差t₂。在此基础上，将超声探头2再次逆时针增量旋转45°，使得超声探头2的中轴线与第三测量方向b₉₀重合，按照第一测量方向b₀的操作步骤，获得第三测量方向b₉₀的声时差t₃。

将三方向声时差t₁、t₂及t₃代入公式上述公式(3)中，计算待测点O处三个测量方向的纵波波速。

第四步，计算平面各项异性表征因子

将第一测量方向b₀的纵波波速v_l0、第二测量方向b₄₅的纵波波速v_l45和第三测量方向b₉₀的纵波波速v_l90代入公式(4)，计算得出金属平面正交各向异性参数K₂₂和金属平面耦合各向异性参数K₁₂。至此，检测计算出金属试件的平面各向异性参数。

本发明定义了两个晶粒取向表征因子K₁₂和K₂₂来表征金属板面内的各向异性，给出综合评价待测区域各向异性的指标，可定性定量描述金属材料表面各项异性；采用多角度测量波速的方法，仅需要三个方向的折射纵波波速，即可测得晶粒取向表征因子K₁₂和K₂₂，充分考虑了超声波传播过程中偏振方向发生改变和声双折射现象，测量误差小，测量稳定性与可靠性高，且操作方便，成本低，适用范围广，可实现接触式超声自动、可靠测量，提高了测量精度与效率。

Claims (1)

1.一种金属材料平面各项异性超声检测方法，其特征是，该方法首先引入了平面各项异性表征因子，定义了平面各向异性表征因子K₂₂和K₁₂；在金属材料平面内测量N个待测方向上的声时差，检测N个待测方向的超声波速，反求计算出平面各向异性表征因子；方法的具体步骤如下：

第一步，安装试件及超声探头

金属试件(1)固定于测量平台上，确定金属试件(1)上待测点O处的N个测量方向，N＝1,2,3，...n,在N个方向上分别进行测量，即第一测量方向b₁、第二测量方向b₂...,第n测量方向b_n；超声波接收器(3)和超声波发射器(4)构成超声探头(2)，将超声探头(2)置于金属试件(1)上待测点O处，保证超声探头(2)与被测表面可靠接触，并且，使得超声探头(2)中心与待测点O重合，超声探头(2)的中轴线与第一测量方向b₁重合；

第二步，引入了平面各项异性表征因子，定量刻画平面各项异性；

定义材料平面各向异性的两个表征因子，金属平面正交各向异性参数K₂₂和金属平面耦合各向异性参数K₁₂，

其中，c₁₁、c₁₂、c₂₂及c₆₆为Voigt表示法中的材料弹性常数、ρ为待测材料密度；

金属平面正交各向异性参数K₂₂，用于表征同样大小的应变分别施加于试件平面的两个正交主方向时，对应方向产生的应力之间的差别程度；金属平面耦合各向异性参数K₁₂，用于表征应变作用于材料平面某一主方向时，各向异性材料在平面另一主方向上产生的应力相对于各向同性材料的应力增量；

第三步，检测平面内的超声波速

首先，确定待测点O处的待测量方向，取N＝1,2,3，即第一测量方向b₁、第二测量方向b₂和第三测量方向b₃；然后，将超声探头(2)置于待测点O，使得超声探头(2)中心与待测点O重合，以及超声探头(2)的中轴线与第一测量方向b₁重合，并保证超声探头(2)与被测表面可靠接触；接着，在信号调控***的控制下，超声波发射器(4)发出的超声脉冲激励信号，在金属试件(1)表面传播一定距离L后，被超声波接收器(3)接收；将超声波发射器(4)发出的超声脉冲激励信号与超声波接收器(3)接收到的接收信号按照公式(2)进行互相关计算，取两个互相关序列最大值所在位置之差，计算获得第一测量方向b₁的声时差t₁，

其中，X₁为超声脉冲激励信号，X₂为超声接收信号，T_s为采样周期，t₁为声时差，t为超声脉冲激励信号X₁与超声接收信号X₂相位差；

以待测点O为中心，将超声探头(2)逆时针增量旋转θ角，使得超声探头(2)的中轴线与第二测量方向b₂重合，按照第一测量方向b₁的操作步骤，获得第二测量方向b₂的声时差t₂；在此基础上，将超声探头(2)再次逆时针增量旋转θ角，使得超声探头(2)的中轴线与第三测量方向b₃重合，按照第一测量方向b₁的操作步骤，获得第三测量方向b₃的声时差t₃；

按公式(3)计算待测点O处三个测量方向的纵波波速，

其中，v₁为第一测量方向b₁的纵波波速、v₂为第二测量方向b₂的纵波波速、v₃为第三测量方向b₃的纵波波速，L为超声波发射器(4)与超声波接收器(3)之间的距离；

第三步，计算平面各项异性表征因子

将第一测量方向b₁的纵波波速v₁、第二测量方向b₂的纵波波速v₂和第三测量方向b₃的纵波波速v₃代入公式(4)，计算得出金属平面正交各向异性参数K₂₂和金属平面耦合各向异性参数K₁₂，

至此，检测计算出金属试件的平面各向异性参数。