[发明专利]一种基于超声波的非接触式材料硬度测量方法

说明书

本发明提供一种基于超声波的非接触式材料硬度测量方法，包括：通过超声纵波回波法检测待测量工件，获取超声回波信号及背散射信号，从而获得超声波特征参数；根据获取的超声波特征参数，计算待测量工件的平均晶粒尺寸；根据获取的平均晶粒尺寸、以及工件硬度值与工件晶粒尺寸的相关拟合函数，获取待测量工件硬度值。本发明提供的基于超声波的非接触式材料硬度测量方法，无需直接接触待测工件，因此不会对工件造成损伤，且综合考虑超声波检测工件时反馈的多个特征参数，确保检测得到的工件硬度值具有很高的准确性；同时检测所需的时间短，能够快速、无损地测量大批量的工件硬度值。

技术领域

本发明涉及金属材料的硬度检测领域，特别涉及一种基于超声波的非接触式材料硬度测量方法。

背景技术

金属硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力，是被检测材料在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量、新材料的研制等领域。

常规金属硬度检测主要是通过向金属工件施加缓慢而无冲击的试验力或者冲击性的试验力，然后依据工件表面压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小判断工件的硬度。包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等多种测试方法，其中布氏、洛氏、维氏三种试验方法是应用最广的试验方法。然而上述常规金属硬度检测方法，都需要直接接触待测金属工件，难以避免地会对工件造成损伤。因此市场上需要一种快速、无损方法测量金属硬度值的方法。

发明内容

为解决上述现有技术中提到的不足，本发明提供一种基于超声波的非接触式材料硬度测量方法，包括如下步骤：

S10：通过超声波检测待测量工件，获取超声回波信号及背散射信号，从而获得超声波特征参数；

S20：根据步骤S10获取的超声波特征参数，计算待测量工件的平均晶粒尺寸；

S30：根据步骤S20获取的平均晶粒尺寸、以及工件硬度值与工件晶粒尺寸的相关拟合函数，获取待测量工件硬度值。

进一步地，步骤S10中的超声波特征参数包括声速、衰减系数、二次谐波幅值、相对非线性系数、平均功率和波形维数。

进一步地，超声波特征参数中声速、衰减系数、二次谐波幅值、相对非线性系数的计算公式为：

其中,C_L为声速，α为衰减系数，A₂为二次谐波幅值，β相对非线性系数，ρ为材料介质的密度，σ为应变力，H为工件的厚度，V_FW为表面回波峰值，V_BW1为一次底面回波峰值，A₁为基波幅值，x为超声波在工件中的传播距离，k为波数。

进一步地，超声波特征参数中平均功率和波形维数的计算公式如下所示：

其中，ω_i为平均功率，F_SHA为波形维数，n为信号长度，i为IMF的阶数，u_i(t)为第i阶IMF信号，t为采样点号。

进一步地，步骤S30中，工件硬度值与工件晶粒尺寸的相关拟合函数的获取方法具体包括：

选取若干与待测量工件材质相同的工件作为试验样本，通过常规方法检测试验样本的硬度值以及晶粒尺寸；利用最小二乘法获取试验样本的硬度值与晶粒尺寸之间的相关拟合函数。