一种修正晶粒尺寸对金属塑性损伤测量影响的方法

技术领域

本发明涉及一种修正晶粒尺寸对金属塑性损伤测量影响的方法，属于超声波无损检测技术领域。

背景技术

在工程应用中，大部分机械设备的零部件都是由金属材料通过加工制作而成，金属材料以其良好的物理性能、化学性能、力学性能以及工艺性能，已成为目前应用最为广泛的一种工程材料。在金属的实际服役期间内，因受到拉伸、压缩、交变载荷等各种载荷作用，将会导致早期损伤的出现，如塑性损伤和微裂纹等。塑性损伤是指材料在承受超过弹性极限的拉伸或压缩应力时产生塑性变形所引起的损伤，通常情况下，这些由于塑性变形所引起的位错集聚，发生在晶格边界处并进一步产生应力集中，进而产生微细裂纹的萌发，最终导致构件的失效，这些早期损伤的积累将给机械设备和工程带来重大安全隐患。

为防止设备部件失效造成的严重事故，能否有效地表征或评估金属材料服役损伤，并对其宏观缺陷产生前早期机械损伤进行正确检测，对于确保工程构件的安全服役至关重要。

超声波被广泛用于无损检测和结构健康监测领域中，超声导波被认为是最有前景之一的现场监控方法。材料存在塑性变形时，位错附近区域的应力应变呈非线性关系，使得传播至该区域的超声应力波出现非线性扰动，从而产生了以二次谐波为主的高次谐波。非线性超声检测方法正是基于材料的这一非线性特征以实现材料性能评估与微损伤识别，其本质上反映的是材料非线性对声波传播特性的影响。金属材料的塑性损伤与材料内部的微观组织结构存在密不可分的关系，材料微观组织结构会和传播于其内部的超声波互相作用影响，从而影响着测量结果。不同的微观组织存在晶粒尺寸的差异，即使相同材料在不同晶粒尺寸状态下，测量结果也会有较大偏差。现有的金属塑性损伤非线性测量技术，尚未考虑晶粒尺寸对测量值的影响，甚至忽略了晶粒尺寸的不同所引入的测量误差。本发明提出的测量方法将晶粒尺寸对金属塑性损伤测量结果的影响考虑其中，对于非线性超声实际测量结果具有修正作用，从而能减小测量误差，测得较高精度的金属塑性损伤结果。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种修正晶粒尺寸对金属塑性损伤测量影响的方法，该方法能修正由于晶粒尺寸大小不同所造成的非线性测量误差，从而较高精度地测量金属的非线性塑性损伤。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种修正晶粒尺寸对金属塑性损伤测量影响的方法，包括步骤：

S1、选取与待测试样同规格的4个以上标定试样，分别对所述标定试样进行热处理，得到具有不同晶粒尺寸的标定试样；所述具有不同晶粒尺寸的标定试样是指一个标定试样具有一种晶粒尺寸，各个标定试样之间具有不同的晶粒尺寸；

S2、在无外加应力状态下，通过超声波测量所述具有不同晶粒尺寸的标定试样，得到每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的无损伤波形；由每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的无损伤波形，分别计算出每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的最大声波振幅值；

S3、对所述具有不同晶粒尺寸的标定试样进行塑性拉伸试验，并通过超声波测量所述具有不同晶粒尺寸的标定试样，得到每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形；由每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形，分别计算出每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数；

S4、以由步骤S2得到的每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的最大声波振幅值和由步骤S3得到的每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数为自变量，以塑性变形量为因变量，通过多元插值拟合得到不同晶粒尺寸下的塑性损伤函数；

S5、确定所述待测试样的最大声波振幅值和所述待测试样的塑性损伤超声非线性系数；

S6、将所述待测试样的最大声波振幅值和所述待测试样的塑性损伤超声非线性系数代入由步骤S4得到的不同晶粒尺寸下的塑性损伤函数，计算得到所述待测试样经过晶粒度修正后的塑性损伤值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的金属塑性损伤非线性测量技术，尚未考虑晶粒尺寸对测量值的影响，甚至忽略了晶粒尺寸的不同所引入的测量误差。而本技术方案考虑到了晶粒尺寸对测量结果的影响，通过引入最大声波振幅值，以表征晶粒尺寸大小，从而建立不同晶粒尺寸大小下的非线性系数—塑性损伤量关系，从结果上修正了晶粒尺寸对金属塑性损伤测量结果的影响，提高了使用超声非线性方法测量金属塑性损伤的精度。

进一步，所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的晶粒度大小呈等间距分布或近似等间距分布。

进一步，在步骤S3中，由每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形，分别计算出每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数，具体方法包括：

将任一所述具有不同晶粒尺寸的标定试样记为标定试样n，n＝1,2,…,N，且N≥4，其中n为任一所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的编号，N为所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的数量；

针对标定试样n，将不同塑性变形量下的塑性损伤波形进行傅里叶变换，分别得到标定试样n在不同塑性变形量下的超声频域图；

分别在所述标定试样n在不同塑性变形量下的超声频域图中，截取基波幅值与二次谐波幅值，并利用非线性系数公式分别计算得到标定试样n在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数。

进一步，在步骤S3中，将任一所述不同塑性变形量记为

构建所述塑性变形量集

将编号为n的所述具有不同晶粒尺寸的标定试样记为标定试样n；

从标定试样n发生塑性变形时塑性拉伸试验开始，到标定试样n产生明显颈缩时塑性拉伸试验结束，将标定试样n在塑性拉伸试验区间内等间距设置或近似等间距设置不同的塑性变形量

进一步，步骤S5，确定所述待测试样的最大声波振幅值和所述待测试样的塑性损伤超声非线性系数，具体操作包括：

S5-1、在无外加应力状态下，通过超声波测量所述待测试样，得到所述待测试样的无损伤波形；由所述待测试样的无损伤波形计算出所述待测试样的最大声波振幅值；

S5-2、通过超声波测量所述待测试样在任一塑性变形量下的塑性损伤波形，并计算出所述待测试样在所述任一塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数。

进一步，步骤S1和步骤S2之间还包括步骤：将所述具有不同晶粒尺寸的标定试样进行表面打磨处理，达到表面粗糙度小于3.2μm的表面要求；在步骤S5之前还包括步骤：将所述待测试样进行表面打磨处理，达到表面粗糙度小于3.2μm的表面要求。

进一步，所述超声波测量是使用具有一发一收模式的超声探头进行超声波测量。

进一步，所述超声波测量的超声激励信号为入射角度为65°的表面波激励信号，激励频率为2MHz。

采用65°入射角的斜入射超声波所激发的波型为表面波，表面波是一种与材料厚度无关的超声波型，不会经由被测表面所对的下表面产生声反射，只在材料浅表层传播，超声波形无频散现象，噪音小。

进一步，在步骤S5-2中，计算出所述待测试样在所述任一塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数，具体方法包括：

将所述待测试样在所述任一塑性变形量下的塑性损伤波形进行傅里叶变换，得到所述待测试样在所述任一塑性变形量下的超声频域图；

在所述待测试样在所述任一塑性变形量下的超声频域图中，截取基波幅值与二次谐波幅值，并利用非线性系数公式计算得到所述待测试样在所述任一塑性变形量下的超声非线性系数。

进一步，所述非线性系数公式为：

下面通过具体实施方式及附图对本发明作进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明实施例中修正晶粒尺寸对金属塑性损伤测量影响方法的操作流程图。

图2为本发明实施例中具有一发一收模式的超声探头示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

一种修正晶粒尺寸对金属塑性损伤测量影响的方法，包括步骤：

S1、选取与待测试样同规格的4个以上标定试样，分别对所述标定试样进行热处理，得到具有不同晶粒尺寸的标定试样；所述具有不同晶粒尺寸的标定试样是指一个标定试样具有一种晶粒尺寸，各个标定试样之间具有不同的晶粒尺寸；

S2、在无外加应力状态下，通过超声波测量所述具有不同晶粒尺寸的标定试样，得到每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的无损伤波形；由每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的无损伤波形，分别计算出每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的最大声波振幅值；

S3、对所述具有不同晶粒尺寸的标定试样进行塑性拉伸试验，并通过超声波测量所述具有不同晶粒尺寸的标定试样，得到每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形；由每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形，分别计算出每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数；

S4、以由步骤S2得到的每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的最大声波振幅值和由步骤S3得到的每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数为自变量，以塑性变形量为因变量，通过多元插值拟合得到不同晶粒尺寸下的塑性损伤函数；

S5、确定所述待测试样的最大声波振幅值和所述待测试样的塑性损伤超声非线性系数；

S6、将所述待测试样的最大声波振幅值和所述待测试样的塑性损伤超声非线性系数代入由步骤S4得到的不同晶粒尺寸下的塑性损伤函数，计算得到所述待测试样经过晶粒度修正后的塑性损伤值。

进一步，所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的晶粒度大小呈等间距分布或近似等间距分布。

进一步，在步骤S3中，由每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形，分别计算出每个所述具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数，具体方法包括：

将任一所述具有不同晶粒尺寸的标定试样记为标定试样n，n＝1,2,…,N，且N≥4，其中n为任一所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的编号，N为所述具有不同晶粒尺寸的标定试样的数量；

针对标定试样n，将不同塑性变形量下的塑性损伤波形进行傅里叶变换，分别得到标定试样n在不同塑性变形量下的超声频域图；

分别在所述标定试样n在不同塑性变形量下的超声频域图中，截取基波幅值与二次谐波幅值，并利用非线性系数公式分别计算得到标定试样n在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数。

进一步，在步骤S3中，将任一所述不同塑性变形量记为

构建所述塑性变形量集

将编号为n的所述具有不同晶粒尺寸的标定试样记为标定试样n；

从标定试样n发生塑性变形时塑性拉伸试验开始，到标定试样n产生明显颈缩时塑性拉伸试验结束，将标定试样n在塑性拉伸试验区间内等间距设置或近似等间距设置不同的塑性变形量

进一步，步骤S5，确定所述待测试样的最大声波振幅值和所述待测试样的塑性损伤超声非线性系数，具体操作包括：

S5-1、在无外加应力状态下，通过超声波测量所述待测试样，得到所述待测试样的无损伤波形；由所述待测试样的无损伤波形计算出所述待测试样的最大声波振幅值；

S5-2、通过超声波测量所述待测试样在任一塑性变形量下的塑性损伤波形，并计算出所述待测试样在所述任一塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数。

进一步，步骤S1和步骤S2之间还包括步骤：将所述具有不同晶粒尺寸的标定试样进行表面打磨处理，达到表面粗糙度小于3.2μm的表面要求；在步骤S5之前还包括步骤：将所述待测试样进行表面打磨处理，达到表面粗糙度小于3.2μm的表面要求。

进一步，所述超声波测量是使用具有一发一收模式的超声探头进行超声波测量。

进一步，所述超声波测量的超声激励信号为入射角度为65°的表面波激励信号，激励频率为2MHz。

进一步，在步骤S5-2中，计算出所述待测试样在所述任一塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数，具体方法包括：

将所述待测试样在所述任一塑性变形量下的塑性损伤波形进行傅里叶变换，得到所述待测试样在所述任一塑性变形量下的超声频域图；

在所述待测试样在所述任一塑性变形量下的超声频域图中，截取基波幅值与二次谐波幅值，并利用非线性系数公式计算得到所述待测试样在所述任一塑性变形量下的超声非线性系数。

进一步，所述非线性系数公式为：

实施例

使用本方法修正A7N0P-T4铝合金母材区塑性损伤的测量结果，图1是本例中修正晶粒尺寸对金属塑性损伤测量影响方法的操作流程图，下面按步骤进行具体描述：

S1、选取标定试样进行预处理：选取与待测试样(A7N0P-T4铝合金母材区)同规格的8个标定试样，分别对标定试样进行热处理，得到具有不同晶粒尺寸的标定试样，且通过金相试验测得具有不同晶粒尺寸的标定试样的晶粒度大小D

由此得到的不同标定试样的晶粒度大小D

表1不同标定试样的晶粒度大小数据

本例在步骤S1和步骤S2之间还包括步骤：将具有不同晶粒尺寸的标定试样进行表面打磨处理，达到表面粗糙度小于3.2μm的表面要求。

S2、由线性测量得到标定试样的最大声波振幅值：在无外加应力状态下，使用具有一发一收模式的超声探头(如图2所示，该具有一发一收模式的超声探头包括激发探头和接收探头)对具有不同晶粒尺寸的标定试样进行超声波测量(超声波测量的超声激励信号为入射角度为65°的表面波激励信号，激励频率为2MHz)，得到每个具有不同晶粒尺寸的标定试样的无损伤波形，记为

由此得到的不同标定试样的最大声波振幅值a

表2不同标定试样的最大声波振幅值数据

S3、由非线性测量得到标定试样的塑性损伤超声非线性系：

S3-1、对具有不同晶粒尺寸的标定试样进行塑性拉伸试验，构建塑性变形量集

表3标定试样在塑性拉伸试验中所施加的塑性变形量数据

S3-2、由每个具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形

由此得到的每个具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数

表4不同标定试样的塑性损伤超声非线性系数数据

在本例步骤S3中，由每个具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤波形，分别计算出每个具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数，具体方法包括：

将编号为n的具有不同晶粒尺寸的标定试样记为标定试样n；

针对标定试样n，将不同塑性变形量下的塑性损伤波形进行傅里叶变换，分别得到标定试样n在不同塑性变形量下的超声频域图；

分别在所述标定试样n在不同塑性变形量下的超声频域图中，截取基波幅值与二次谐波幅值，并利用非线性系数公式分别计算得到标定试样n在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数。

非线性系数公式为：

在本例步骤S3中，构建塑性变形集

将编号为n的具有不同晶粒尺寸的标定试样记为标定试样n；

从标定试样n发生塑性变形时塑性拉伸试验开始，到标定试样n产生明显颈缩时塑性拉伸试验结束，将标定试样n在塑性拉伸试验区间内近似等间距设置不同的塑性变形量

S4、确定塑性损伤函数：以由步骤S2得到的每个具有不同晶粒尺寸的标定试样的最大声波振幅值和由步骤S3得到的每个具有不同晶粒尺寸的标定试样在不同塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数为自变量，以塑性变形量为因变量，通过多元插值拟合得到不同晶粒尺寸下的塑性损伤函数。

本例在步骤S5之前还包括步骤：将待测试样进行表面打磨处理，达到表面粗糙度小于3.2μm的表面要求。

S5、确定待测试样的最大声波振幅值和待测试样的塑性损伤超声非线性系数，具体操作包括：

S5-1、在无外加应力状态下，使用具有一发一收模式的超声探头(如图2所示，该具有一发一收模式的超声探头包括激发探头和接收探头)对待测试样进行超声波测量(超声波测量的超声激励信号为入射角度为65°的表面波激励信号，激励频率为2MHz)，得到待测试样的无损伤波形

S5-2、通过拉伸机对待测试样进行塑性拉伸，拉伸机所施加的塑性变形量为Rp

表5待测试样的塑性损伤超声非线性系数数据

在本例步骤S5-2中，计算出待测试样在任一塑性变形量下的塑性损伤超声非线性系数，具体包括：

将待测试样在任一塑性变形量下的塑性损伤波形进行傅里叶变换，得到待测试样在该任一塑性变形量下的超声频域图；

在待测试样在该任一塑性变形量下的超声频域图中，截取基波幅值与二次谐波幅值，并利用非线性系数公式计算得到待测试样在该任一塑性变形量下的超声非线性系数。

非线性系数公式为：

S6、计算待测试样经过晶粒度修正后的塑性损伤值：将待测试样的最大声波振幅值和待测试样在任一塑性变形量Rp

表6待测试样在塑性拉伸中所施加的塑性变形量与本技术方案测量所得塑性变形量对比

由表6可以看出，本技术方案测量所得塑性变形量