[发明专利]一种非接触无损评估材料各向异性的方法和装置

说明书

本发明公开一种非接触无损评估材料各向异性的方法和装置，该方法通过激励步进频率的电磁超声横波，并获取被检试件中特定频带宽中的超声横波共振频率，提取分别代表快横波和慢横波的超声横波共振频率，构造被检试件的各向异性参数；并基于得到的各向异性参数，比较不同轧制工艺处理材料的各向异性参数的不同；对比检测、评估金属材料的各向异性；比较不同应力状态下材料的各向异性参数的不同，对比检测、评估金属材料的应力状态。本发明基于超声横波的双折射与材料弹性各向异性直接关系，利用快横波波速与慢横波波速来构造各向异性参数；将电磁超声换能器与超声共振光谱结合，克服了电磁超声换能器传输能量低的问题，提高了电磁超声的信噪比。

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，涉及利用超声波对材料性能进行非破坏性评估和表征的技术，具体是一种非接触无损评估金属材料各向异性的方法和装置。

背景技术

电磁超声检测是一种依靠电磁感应和磁致伸缩效应原理在工件中产生和接收超声波来实现对构件内部缺陷进行无损检测的方法。由于电磁激励超声是基于电磁感应原理工作的，电磁超声检测方法不需要在电磁超声探头与被检测构件表面之间使用耦合剂就可以在构件内产生超声波，且由于磁场与线圈方便搭配调控，更利于产生单一模态的超声波。电磁超声检测是一种非接触无损检测方法，它不需要对工件表面进行处理，是一种快速、方便、有效和低成本的检测方法，容易实现对构件缺陷的大范围、普查性的无损检测。但由于电磁超声换能器存在能量转换效率低、信噪比低的缺点。为提高电磁超声换能器，电磁超声谐振技术结合电磁超声换能器和超声频谱分析的技术时连续超声回波同相位叠加，增大被检试件中的质点振动位移，可以有效提高能量转换效率。

工程材料大多是晶体材料，如何利用晶体本身存在的各向异性，既可以保持工程材料原有的全部传统优点，又可使必要的性能在特定方向得到显著的提高，这是材料生产者和研究者十分关注的焦点。因此，检测材料自身存在的晶体学织构与各向异性就成为了材料生产和开发研究的重要分析内容之一。在金属加工中塑性加工不均匀会导致金属板材出现制耳缺陷，制耳缺陷不仅会影响生产效率还会导致成材率降低，使生产成本上升。

在线检测技术主要应用于连续生产线上可快速而连续的无损检测钢材性能，这不但大大缩短了生产流程，而且也为全方位保证产品质量和即时的反馈控制提供了可能。在实验室人们往往借助中子、X射线通过较长时间测得若干极图，并由此算出较为准确的织构表达指标(ODF)。这几种方法复杂、费时，显然不能用于生产现场的在线技术。

为此，现有技术中一篇公开号为CN101421610A的发明专利公开一种使用超声波对具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体进行无损测试的方法，其包括如下过程：确定或提供描述所述声学各向异性材料区域的方向特定的声音传播特性；然后将超声波射入到所述测试体的所述声学各向异性材料区域；使用多个超声波换能器接收所述测试体内部反射的超声波；对使用所述多个超声波换能器产生的超声波信号进行评价基于所述方向特定的声音传播特性在方向上具有选择性地执行该评价。

另一篇申请公布号为CN111307351A的发明专利公开了一种电磁超声仪测量残余应力的方法，该方法包括：测量声时值步骤：电磁超声探头吸附拉伸被检试件，以不同应力加载，测量每个应力下对应的声时值；横波声弹性系数和各向异性参数确定步骤：通过数据线性拟合，得到横波声弹性系数和各向异性参数；建立声速与应力的关系方程步骤：测得的数据结果代入声速值、横波声弹性系数、和各向异性参数的关系式，得到声速与应力的关系方程；残余应力测量步骤：电磁超声仪测量待测材料声速值，代入声速与应力的关系方程中，获得应力值。

另一篇申请公布号为CN112050981A的发明专利公开了一种结构一体式电磁超声横纵波应力测量方法，其基于声弹性双折射原理和声速比特性，确定了平面应力与单向应力与超声传播时间的关系。其通过特制的电磁超声探头结构可同时激发出沿材料厚度方向传播的纵波和两束正交偏振的横波，解决了传统应力测量过程中旋转探头带来精度低、效率低等问题。