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(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大 連 116024)

金屬材料的晶粒尺寸對(duì)其力學(xué)性能、工藝性能及物理性能都有重要影響[1]。通過(guò)金相法、電子背散射衍射法(EBSD)[2]、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線(xiàn)衍射法(XRD)[3]等技術(shù)可以直觀(guān)地觀(guān)察金屬的晶粒大小，并結(jié)合圖像處理軟件計(jì)算出晶粒的尺寸，但這些方法都具有破壞性，需要通過(guò)制樣后才能觀(guān)察測(cè)量，且工序多、周期長(zhǎng)，而且只能對(duì)可視區(qū)域的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)定，對(duì)工件整體的晶粒度無(wú)法做出評(píng)價(jià)。

非破壞性的超聲檢測(cè)方法已成為現(xiàn)代材料組織與性能表征的重要手段，但常規(guī)的超聲檢測(cè)方法如聲速法、衰減系數(shù)法等在微觀(guān)尺度的不連續(xù)與材料早期性能退化的評(píng)價(jià)與表征方面具有一定的局限性。而非線(xiàn)性超聲檢測(cè)方法就是利用有限振幅聲波在材料中傳播時(shí)，介質(zhì)或微小缺陷的不連續(xù)與其相互作用產(chǎn)生的非線(xiàn)性效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)材料性能的早期評(píng)估和微小缺陷的檢測(cè)，本質(zhì)上反映的是微小缺陷對(duì)材料非線(xiàn)性的影響。已有研究結(jié)果表明，非線(xiàn)性超聲技術(shù)可以對(duì)金屬材料的疲勞損傷、蠕變損傷、組織劣化等材料的早期性能退化進(jìn)行有效表征[4-10]。晶粒尺寸決定了晶界的面積，而晶界的原子排列不規(guī)則，存在很多空位、位錯(cuò)等微觀(guān)缺陷，對(duì)超聲波的非線(xiàn)性效應(yīng)有顯著影響，因此有望采用非線(xiàn)性超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬材料的晶粒尺寸進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)。

1 非線(xiàn)性超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)

對(duì)金屬材料的非線(xiàn)性超聲檢測(cè)來(lái)說(shuō)，入射超聲波的振幅對(duì)材料超聲非線(xiàn)性響應(yīng)信號(hào)的大小有顯著影響。常規(guī)超聲檢測(cè)采用的是小振幅超聲波，其在材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變極小，遵循線(xiàn)性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)采用有限振幅的聲波檢測(cè)時(shí)，聲波在材料中傳播時(shí)受介質(zhì)應(yīng)力-應(yīng)變非線(xiàn)性關(guān)系的影響增強(qiáng)，超聲非線(xiàn)性效應(yīng)增大，超聲波將發(fā)生明顯的畸變，并且這種畸變隨聲波傳播距離的增加而累積。BREAZEALE等[11]從連續(xù)介質(zhì)模型出發(fā)，建立了固體介質(zhì)內(nèi)的一維縱波非線(xiàn)性波動(dòng)方程

(1)

式中：ρ為介質(zhì)密度；E2與E3分別為二階和三階彈性常數(shù)；t為傳播時(shí)間；x為傳播距離;u為原子振動(dòng)的位移。

當(dāng)一列正弦波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，通過(guò)二級(jí)近似微擾法對(duì)式(1)進(jìn)行求解，得到位移波函數(shù)的二級(jí)近似解

u(x,t)=A0sin(ωt-kx)+

(2)

式中：k為波數(shù)；ω為角速度；β為二階超聲非線(xiàn)性參數(shù)；A0為基波幅值。

(3)

(4)

根據(jù)式(4)可知，通過(guò)測(cè)量基波幅值A(chǔ)1和二次諧波幅值A(chǔ)2，就可以確定材料的相對(duì)超聲非線(xiàn)性參數(shù)β。

2 晶粒度的非線(xiàn)性超聲表征

2.1 試樣制備

從熱軋態(tài)退火鐵素體不銹鋼板上制作5個(gè)規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為25 mm×20 mm×5.6 mm的試樣，通過(guò)熱處理以獲得不同的晶粒尺寸，其熱處理工藝示意如圖1所示，鐵素體不銹鋼的熱處理工藝與平均晶粒尺寸如表1所示，其中1#為原始試樣。選用粒度為200～1 200的砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨并拋光，然后配置浸蝕劑，對(duì)拋光試樣表面進(jìn)行60 s的浸蝕，利用金相顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察，不同熱處理后鐵素體不銹鋼的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 熱處理工藝示意

表1 鐵素體不銹鋼的熱處理工藝與平均晶粒尺寸

2.2 二階非線(xiàn)性參數(shù)的測(cè)定

二階非線(xiàn)性超聲測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，裝置由RAM-5000非線(xiàn)性超聲檢測(cè)儀，數(shù)字示波器，高、低通濾波器，衰減器，計(jì)算機(jī)和探頭組成。

RAM-5000非線(xiàn)性超聲檢測(cè)儀能夠通過(guò)放大器來(lái)增強(qiáng)入射波的振幅，發(fā)射有限振幅聲波，發(fā)射信號(hào)為單一頻率的正弦波脈沖串，脈沖串周期數(shù)為10，衰減為12 dB，輸出電壓為30 V，頻率為 5 MHz，并經(jīng)漢寧窗調(diào)制處理，以減少發(fā)射信號(hào)的非線(xiàn)性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。波形曲線(xiàn)通過(guò)數(shù)字示波器采集，采樣頻率為1 GHz，二階非線(xiàn)性超聲測(cè)量裝置激勵(lì)信號(hào)如圖4所示。

使用中心頻率為10 MHz的縱波探頭接收信號(hào)。對(duì)濾波后的接收波形進(jìn)行快速傅里葉(FFT)變換，測(cè)量基波幅值A(chǔ)1與二次諧波幅值A(chǔ)2。圖5(a)為基波與二次諧波信號(hào)的幅頻特性曲線(xiàn)，圖5(b)為二次諧波信號(hào)放大的幅頻特性曲線(xiàn)，根據(jù)式(4)計(jì)算不同晶粒尺寸鐵素體不銹鋼試樣的二階非線(xiàn)性參數(shù)。

2.3 聲速與衰減系數(shù)的測(cè)定

采用單探頭脈沖反射法測(cè)定不同晶粒度試樣的超聲波聲速與衰減系數(shù)，測(cè)量時(shí)，使用中心頻率為5 MHz的縱波探頭收發(fā)信號(hào)，發(fā)射信號(hào)為單一頻率的正弦波脈沖串，脈沖串周期數(shù)為10。利用公式v=2T/t(v為聲速，T為試樣厚度，t為相鄰兩次反射回波的時(shí)間差)測(cè)量聲速，并利用公式α=(20lgB1/B2)/2T(α為衰減系數(shù)，B1,B2分別為一次反射回波和二次反射回波的幅值)測(cè)量衰減系數(shù)。

圖2 不同熱處理后鐵素體不銹鋼的金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 二階非線(xiàn)性超聲測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意

圖4 二階非線(xiàn)性超聲測(cè)量裝置激勵(lì)信號(hào)

圖5 基波信號(hào)與二次諧波信號(hào)的幅頻特性曲線(xiàn)

3 結(jié)果與討論

鐵素體不銹鋼中超聲波聲速和衰減系數(shù)隨晶粒尺寸的變化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 鐵素體不銹鋼中超聲波聲速和衰減系數(shù)隨晶粒尺寸的變化曲線(xiàn)

由圖6可知，隨鐵素體不銹鋼晶粒尺寸的增大，超聲波聲速變化并不明顯，試樣最大聲速為5 231.3 m·s-1，最小聲速為5 132.5 m·s-1，相對(duì)變化量只有1.89%，這是由于固體中的聲速主要與材料的彈性模量和密度相關(guān)，而金屬材料的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織變化不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，熱處理對(duì)材料的彈性模量和密度影響不大，因此雖然試樣的晶粒度不同，但超聲波聲速的變化不大。而經(jīng)過(guò)熱處理后試樣的衰減系數(shù)有較大增加，這是因?yàn)槌曀p主要由散射衰減引起，經(jīng)熱處理后，材料的晶粒尺寸極不均勻，引起超聲波散亂反射和折射，衰減系數(shù)增大。除原始試樣外，經(jīng)熱處理的試樣隨鐵素體不銹鋼晶粒尺寸的增大，衰減系數(shù)的變化并不明顯，相對(duì)變化量也只有5.65%。鐵素體不銹鋼中非線(xiàn)性參數(shù)β隨晶粒尺寸的變化曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 鐵素體不銹鋼中非線(xiàn)性參數(shù)β隨晶粒尺寸的變化曲線(xiàn)

由圖7可知，隨著晶粒尺寸的增大，超聲非線(xiàn)性系數(shù)呈連續(xù)下降的趨勢(shì)，超聲非線(xiàn)性效應(yīng)降低。隨著熱處理溫度與時(shí)間的增加，試樣晶粒尺寸逐漸增大，晶界面積逐漸減小。晶界是具有不同取向晶粒的界面，晶界上原子排列混亂，存在著許多空位、位錯(cuò)和鍵變形等缺陷，局部應(yīng)變高，晶粒邊界具有不連續(xù)性，是產(chǎn)生超聲非線(xiàn)性的主要原因。當(dāng)有限振幅聲波傳播路徑上的晶界越多時(shí)，超聲波畸變?cè)絿?yán)重，產(chǎn)生的諧波分量越多。隨著晶粒尺寸的增加，晶界面積在減小，有限振幅聲波失真的累積效應(yīng)減弱，超聲非線(xiàn)性系數(shù)減小。

圖與A2的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

基于非線(xiàn)性超聲的基本理論，建立了鐵素體不銹鋼晶粒尺寸的非線(xiàn)性超聲表征系統(tǒng)，測(cè)量了不同晶粒尺寸時(shí)材料的非線(xiàn)性特征參數(shù)、聲速及衰減系數(shù)。結(jié)果表明，不同晶粒度材料的聲速和衰減系數(shù)的變化幅度很小，利用這兩個(gè)參數(shù)不能很好地表征材料晶粒尺寸的變化，而非線(xiàn)性參數(shù)隨晶粒尺寸的增大，呈連續(xù)下降的趨勢(shì)，變化明顯，因此可以利用非線(xiàn)性超聲檢測(cè)方法對(duì)金屬材料的晶粒尺寸進(jìn)行評(píng)估與表征。