[发明专利]一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属平均晶粒尺寸测量技术领域，尤其涉及一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法。

背景技术

晶粒尺寸是表征金属材料微观特性的一个重要参数，它影响着材料的疲劳强度、屈服强度、韧性及塑性、蠕变抗力和抗疲劳扩展能力等机械性能。因此准确测量金属材料的晶粒尺寸对研究其机械性能具有重大的意义。金属材料晶粒尺寸的测量方法分为有损和无损两种，有损方法如金相法具有结果直观和检测精度高等优点，但需对材料进行破坏，且分析程序繁琐、检测效率底。超声无损评价方法具有穿透能力强，灵敏度高，对人体无害等优点，是目前国内外对材料进行微结构检测所普遍应用的方法之一。

多晶金属材料的晶粒尺寸很大程度上决定了声能的衰减，因此可测定超声衰减系数间接评价材料的晶粒尺寸。然而，在工程实践中准确检测衰减系数将受到一系列苛刻的实验条件约束。例如在不同水声距条件下，对同一材料检测出的衰减系数并非定值，而现有检测模型均未将水声距作为影响因素考虑，在实际检测中须花费大量时间调整水声距，将声束聚焦在被测对象中部，且调节精度难以保证。因此，如何剔除水声距与其它实验因素间的线性相关性，降低实验误差的干扰，并从中挖掘水声距对衰减测量的影响规律，是提高晶粒尺寸超声衰减评价有效性的关键。基于以上研究现状，本发明利用PCA方法建立了一种剔除水声距影响的金属平均晶粒尺寸评价模型。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是在无需精确调整水声距的情况下，如何精确、可靠、无损测量晶粒尺寸。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过设置不同的热处理条件制备试块，使其具有晶粒尺寸梯度，固定探头主频，采集在不同的水声距下标定试块的超声回波信号，利用超声回波信号计算所对应的平均衰减系数，使用金相法测定并记录各标定试块的平均晶粒尺寸；

S2、利用所述的平均衰减系数，及其所对应的水声距及标定试块的平均晶粒尺寸，基于限定相关系数阈值的多项式拟合，建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸初始评价模型结构；

S3、利用PCA方法计算出所述初始评价模型结构中的各个变量降维组合成的主元，运用各主元回归估计模型的参数，从而建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型；

S4、利用所述步骤S3得到的剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型对标定试块进行晶粒尺寸评价，对比金相法所测晶粒尺寸验证所述平均晶粒尺寸评价模型的准确性；然后对测试试块进行衰减系数预测评价，对比超声衰减试验测量计算结果验证所述平均晶粒尺寸评价模型的预测能力。

2、优选地，所述步骤S2中，多项式拟合相关系数阈值为[0.95,1]，并选择符合阈值标准的最低次数作为多项式最高次数；设定测量探头主频为f₀时，基于上述所计算的剔除水声距影响的晶粒尺寸初始评价模型为

式中，C₁为与f₀相关的模型常数，D为试块平均晶粒尺寸，a_i为D的第i次方的系数，m₀为平均晶粒尺寸D的最高次方数，W为测量水声距，bi为W的第i次方的系数，m₁为水声距W的最高次方数，α(D,W)为关于水声距W及平均晶粒尺寸D的衰减系数α的函数；

3、优选地，所述步骤S3具体为：

S31、将所述步骤2中初始平均晶粒尺寸的多因素评价模型的被测变量记作每个被测变量有n个观测样本，由此可构建线性化数据矩阵同时将被测变量标准化，即：

式中，L_n为n维单位列矢量，

标准化后的被测变量矩阵记作x_i为被测变量矩阵X的第i行数据；

S32、然后求解步骤S31中的标准化被测变量矩阵X被测变量主元得分矩阵计算公式为

式中，表示X的模型值，E为建模误差，Z是被测变量主元得分矩阵，P是被测变量主元负荷矩阵，Z^*是被测变量残差得分矩阵，P^*是被测变量残差负荷矩阵，t_i为被测变量得分矢量，p_i是被测变量负荷矢量，l是主元数量；