利用超聲波散射來考察金屬晶粒及組織的可能性，早在1946年(美國(guó))和1948年(蘇聯(lián))就已經(jīng)提出來了。但由于試驗(yàn)技術(shù)上的困難和不容易驗(yàn)證理論結(jié)果，研究工作進(jìn)展緩慢。針對(duì)該項(xiàng)研究開展了大量實(shí)驗(yàn)及理論分析工作，涉及到的文獻(xiàn)非常多。對(duì)上述研究結(jié)果加以歸納，可得出有關(guān)晶粒度超聲波無(wú)損表征的基本結(jié)論:

1) 由于初始條件與實(shí)際測(cè)量之間的差別(例如，晶粒也許并非隨機(jī)取向的，也許在晶界上有沉積、晶粒夾雜或?qū)\晶等)，因此通用測(cè)試條件下定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論之間很難獲得好的一致性，一致性程度取決于模型與具體實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間的差異程度。

2) 在得到控制的條件下，利用超聲波散射測(cè)量晶粒大小的理論和實(shí)驗(yàn)之間有著相當(dāng)良好的一致性。只要精心測(cè)量，并能與構(gòu)成其特征的有關(guān)信息之間建立相關(guān)關(guān)系，超聲波散射就能用來估測(cè)晶粒的大小，但只能在比較的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

對(duì)于晶粒內(nèi)沒有亞結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單組織，以及不考慮第二相、晶界及沉淀物影響的情況而言，晶粒度的超聲波表征與顯微組織的超聲波表征內(nèi)容基本是一致的。但是實(shí)際生產(chǎn)中所用的很多材料往往具有復(fù)雜的相結(jié)構(gòu)，因此接收到的信號(hào)中包含了超聲波與晶粒、晶界、第二相等綜合作用的影響，對(duì)這類材料進(jìn)行超聲波表征的難度則更大。

由于多晶材料中晶粒的超聲波散射是構(gòu)成散射系數(shù)的主要原因，因此可以通過測(cè)量衰減系數(shù)的方法來表征多晶材料的平均晶粒度。又由于超聲波與材料之間的相互作用與超聲波的波長(zhǎng)之間有密切關(guān)系，也就是與超聲波頻率有相關(guān)性，因此，針對(duì)利用超聲波衰減系數(shù)及衰減譜進(jìn)行多晶材料晶粒尺寸表征開展了大量研究工作并取得了成果。

根據(jù)材料的平均晶粒尺寸D與超聲波波長(zhǎng)λ之間比值的不同，超聲波散射衰減與D以及頻率f滿足不同的散射機(jī)理:

①當(dāng)λ>>D，屬于瑞利散射，。

②當(dāng)λ≈D，屬于隨機(jī)散射，。

③當(dāng)λ< 。

本書主要從以下幾方面進(jìn)行介紹:

(1）衰減法  根據(jù)待測(cè)部件種類及對(duì)晶粒尺寸的評(píng)估要求，該方法在制備標(biāo)準(zhǔn)試樣時(shí)要經(jīng)過固溶退火以保證獲得均勻的微觀組織。要在試樣中獲得感興趣的晶粒尺寸范圍，需要通過熱處理或熱處理后的冷加工工藝獲得。同時(shí)要根據(jù)樣品尺寸和衰減情況來選擇超聲波探頭以及檢測(cè)頻率。

首先要用金相學(xué)方法估計(jì)試樣的平均晶粒度并作記錄，然后利用衰減測(cè)量方法，在不同頻率下，精確測(cè)量所有標(biāo)準(zhǔn)試樣的衰減。利用超聲波衰減測(cè)量結(jié)果和金相法獲得的晶粒尺寸繪制出如圖8-10所示的標(biāo)準(zhǔn)圖。觀察發(fā)現(xiàn)，在4MHz頻率下平均晶粒尺寸與超聲波衰減值之間成線性關(guān)系。對(duì)于待測(cè)晶粒尺寸，此圖最適于作為標(biāo)準(zhǔn)圖。如果現(xiàn)有一個(gè)成分、尺寸與標(biāo)準(zhǔn)試樣相同但晶粒度未知的試樣，那么就可以通過測(cè)量該試樣的超聲波衰減值并利用標(biāo)準(zhǔn)圖來估算其晶粒度。衰減法的主要缺點(diǎn)是忽略了耦合及衍射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，而這些因素往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤。

衰減法的最大優(yōu)點(diǎn)就是操作簡(jiǎn)單，然而該方法的可靠性取決于耦合情況以及操作者對(duì)衍射修正等的估計(jì)，尤其是在較厚試樣上進(jìn)行衰減法測(cè)量時(shí)更需要仔細(xì)考慮以上影響因素。因此，由于不容易得到一致的耦合條件，或由于不清楚探頭發(fā)射的聲束擴(kuò)散角而難以精確估計(jì)對(duì)于超聲波衍射情況的修正，導(dǎo)致衰減法在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制。

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