[发明专利]一种多晶体材料缺陷尺寸的超声测量方法

说明书

本发明公开了一种多晶体材料缺陷尺寸的超声测量方法，其包括以下步骤：S1、基于背散射响应模型，建立多晶体材料晶粒噪声的瑞利分布，以及晶粒噪声与缺陷回波之间的相干缺陷回波幅值的莱斯分布；S2、根据所述瑞利分布和莱斯分布，构建缺陷回波幅值的限界分布模型，并通过其逆累积分布计算置信上限和下限；S3、基于超声测量模型和C扫描实验测得的相干缺陷回波幅值，以步骤S2中得到的置信上限和下限，获取所述多晶体材料的缺陷尺寸的区间估计。本发明能够在低信噪比的环境下，对微小缺陷的尺寸进行有效的测量。

技术领域

本发明涉及材料缺陷尺寸的超声测量领域，特别涉及一种多晶体材料缺陷尺寸的超声测量方法。

背景技术

目前常用的机械工程材料以多晶体材料为主，如铁基合金、铝基合金、铜基合金、镍基合金等等，已被广泛用于航空航天，武器装备，海洋平台等多个重要领域。然而，这些材料在冶炼、机加工的过程中不可避免地存在着微小缺陷。特别地，本发明涉及的微小缺陷指尺寸不大于0.4mm，但大于多晶体材料平均晶粒尺寸的缺陷。这些微小缺陷会使的多晶材料的抗疲劳性能下降，对材料的疲劳寿命构成潜在的隐患；在产品使用的过程中微小缺陷容易诱导裂纹的成核，而裂纹的不断生长将导致强度不足，最终将造成断裂事故。

根据累积损伤模型，微小缺陷尺寸的有效测量是疲劳寿命预测的基础。多晶体材料缺陷的检测和定量方法主要有目测测量、渗透测量、磁粉测量、涡流测量、射线测量、超声测量等。目测和渗透法只能测量表面开口缺陷，磁粉和涡流法能测量近表面缺陷但无法测量内部缺陷。射线法能检出材料内部的微小缺陷，但同样要求工件不能过厚以便射线穿透，另外射线的辐射可能危害检测人员健康。而超声法既能检测表面、近表面缺陷，又能检测内部缺陷，且对人体无害，因此常用于缺陷的检测及其尺寸的定量。

当前缺陷尺寸的超声定量方法主要有-6dB测长法和距离幅度校正（DAC）曲线法两种。-6dB测长法只在缺陷尺寸大于波长，甚至尺寸大于探头直径时适用，难以对0.4mm以下的微小缺陷进行定量。DAC曲线法主要考虑了缺陷埋深对缺陷回波幅值的影响，可对小于探头直径的缺陷进行尺寸定量，且适用于亚波长的缺陷。然而， DAC曲线法没有考虑超声信号中的晶粒噪声所导致的缺陷尺寸定量误差。

然而，超声波在多晶体材料中传播时将不可避免地受到晶粒散射的影响，而接收信号中的晶粒噪声又将造成缺陷回波的畸变，最终导致已有的超声定量表征方法失效。结构噪声是由于材料微观结构带来的，无法使用针对电噪声的同步平均技术实现去除。对大多数多晶体材料而言，结构噪声又可称为晶粒噪声，是晶界处微小的声阻抗差异造成的超声波背向散射造成的。当晶粒噪声存在时，晶粒噪声将与缺陷回波相干叠加或相干相消，从而随机地影响相干缺陷回波的幅值。这种影响在缺陷尺寸接近于平均晶粒尺寸时尤为显著，因此DAC曲线法将失效。

本文提供的背景描述用于总体上呈现本公开的上下文的目的。除非本文另外指示，在该章节中描述的资料不是该申请的权利要求的现有技术并且不要通过包括在该章节内来承认其成为现有技术。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多晶体材料缺陷尺寸的超声测量方法，其包括以下步骤：

S1、基于背散射响应模型，建立多晶体材料晶粒噪声的瑞利分布，以及晶粒噪声与缺陷回波之间的相干缺陷回波幅值的莱斯分布；

S2、根据所述瑞利分布和莱斯分布，构建缺陷回波幅值的限界分布模型，并通过其逆累积分布计算置信上限和下限；

S3、基于超声测量模型和C扫描实验测得的相干缺陷回波幅值，以步骤S2中得到的置信上限和下限，获取所述多晶体材料的缺陷尺寸的区间估计。

具体的，步骤S3具体为：根据超声测量模型构建缺陷尺寸和缺陷回波幅值的关系，并根据所述缺陷尺寸和缺陷回波幅值的关系和C扫描实验测得的相干缺陷回波幅值获得点估计，并根据所述缺陷尺寸和缺陷回波幅值的关系的逆函数和置信上限、下限来获得区间估计的两个端点。