CN105300887B - 一种激光超声无损检测材料织构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无损检测领域，涉及一种激光超声无损检测材料织构的方法。本方法的步骤如下：测量；成像；修正；二次成像；本发明提出了一种利用激光超声非接触无损快速检测材料织构的方法，有利于对材料微观织构进行无损检测，本发明利用激光激励的超声表面波速度的变化测量晶粒取向分布图以反映材料织构，样品直接安放在试验台上，样品检测区域仅受试验台运动范围的限制，检测区域灵活，可检测范围大，第二，本发明采用的激光光斑可调节，使得单次测量范围可变，相应地，测量空间分辨率可调，在对于空间分辨率要求较低的情况下，可以获得很高的检测效率，第三，样品表面磨光即可，不需要抛光，对样品要求低，特别适用于大范围扫查。
Description
技术领域
本发明是一种激光超声无损检测材料织构的方法，属于无损检测领域。
背景技术
多晶体取向分布状态明显偏离随机分布的结构称为织构，很多材料都要求对其织构进行检测，以便对其性能进行分析和预测，晶粒取向分布图是表征材料织构的最直观的方法，目前能够得到晶粒取向分布图的方法主要是电子背散射衍射(EBSD)法，但是，该方法存在以下三个问题：首先，电子背散射衍射(EBSD)方法基于扫描电镜的一个附件，待测样品必须能够满足扫描电镜检测的要求，样品的长宽高都很难超过50mm，对于大尺寸的试样只能将其分成小块试样才能进行检测，其次，该方法采用直径只有几十微米的电子束进行扫查，每次测量覆盖的范围很小，如果需要扫查较大范围，需要很长的检测时间，最后，该方法一般要求样品进行电解抛光，用时长，效率低，总之，现有方法不适用于对晶粒较大的材料进行大范围晶粒取向的扫查。
发明内容
本发明针对上述问题设计了一种激光超声无损检测材料织构的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该方法的步骤是：
(1)测量
1.1样品要求及安放
将待测样品的待测平面磨光，将待测样品安放在二维移动工作台上，保证待测平面与二维移动工作台台面平行；
1.2调整光路
按照波长为a的脉冲激光器、直径为b的光圈、间距为c的光栅、直径为d的透镜及能透过波长为a的光同时能90°反射波长为e的光的双色镜的顺序组成激励设备，按照波长为e的连续激光器、直径为f的光圈、偏振分光器、四分之一玻片及激光干涉仪的顺序组成接收设备，将激励设备和接收设备同时安装在与所述二维移动工作台垂直的设备安装平台上，将波长为a的脉冲激光器发出的波长为a的脉冲激光依次通过直径为b的光圈、间距为c的光栅、直径为d的透镜、能透过波长为a的光同时能90°反射波长为e的光的双色镜，使该束激光垂直照射到待测样品的待测平面，在待测平面上形成多条间距为λ的平行的条形光斑，这些间距为λ的平行的条形光斑称为激励花样。
将波长为e的连续激光器发出的波长为e的连续激光先后通过直径为f的光圈、偏振分光器、四分之一玻片，使得波长为e的连续激光照射在双色镜上波长为a的脉冲激光边缘，经双色镜反射后，波长为e的连续激光照射在待测平面上的光斑称为接收光斑。
转动间距为c的光栅，使得激励花样中心与接收光斑的连线垂直于激励花样中条形光斑的长度方向，微调整个光路，使得接收光斑中心与激励花样中最近的一条条形光斑中心的距离为g。
经待测平面反射后的波长为e的连续激光称为接收激光，根据光路的可逆性，接收激光先后经过双色镜、四分之一玻片，然后被偏振分光器与波长为e的连续激光分离，调整激光干涉仪的位置，使接收激光进入激光干涉仪中；
1.3连接仪器
激光干涉仪的输出接口通过同轴电缆与数字示波器的接收接口连接，数字示波器与计算机通过USB接口或LAN接口相连；
1.4计算
利用计算机对数字示波器的信号进行快速傅里叶变换，获得峰值频率p，表面波声速v＝p×λ；
1.5扫查
将激励花样和接收光斑同时落在待测样品的待测表面上，待测样品在二维移动工作台的带动下运动，使激励花样和接收光斑遍历整个待测表面，同时记录下接收光斑位置i以及每一位置下的表面波声速vi；
(2)成像
将各位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的表面波声速vi中最大的值定义为256，最小的值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波声速分布二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染获得表面波分布二维彩虹图；
(3)修正
在扫查过的待测样品上取下一块能够满足电子背散射衍射(EBSD)检测要求的试样，该试样的一个面必须是扫查过的待测平面中的一部分，并且该部分上的晶粒个数不少于200个且晶粒取向随机分布，利用电子背散射衍射(EBSD)对这一试样上的待测平面进行晶粒取向扫查，获得该待测平面上各晶粒的取向分布图，建立各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系；
(4)二次成像
利用各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系对第二步的二维位置矩阵上各位置重新设置颜色，获得整个待测平面上各晶粒的取向分布图。
本发明的工作原理是：
照射在材料表面上的激光会在材料中激励出各种类型的超声波，其中，超声表面波的能量最高，利用另一束激光监测激励激光附近的材料表面波动，可以检测到前者激发的超声表面波，超声表面波的传播速度会受到其传播路径上材料的晶粒取向的影响，本发明就是利用超声表面波速度与晶粒取向之间的关系，通过测量各晶粒中传播的超声表面波的传播速度获得各晶粒的取向，再通过扫查绘制晶粒取向分布图。
本发明具有的优点和有益效果是：
本发明利用激光激励的超声表面波速度的变化测量晶粒取向分布图以反映材料织构，样品直接安放在试验台上，样品检测区域仅受试验台运动范围的限制，检测区域灵活，可检测范围大，第二，本发明采用的激光光斑可调节，使得单次测量范围可变，相应地，测量空间分辨率可调，在对于空间分辨率要求较低的情况下，可以获得很高的检测效率，第三，样品表面磨光即可，不需要抛光，对样品要求低，特别适用于大范围扫查。
本发明利用超声表面波沿晶粒不同方向传播速度不同的原理，利用激光激励并接收超声表面波，通过测量超声表面波的速度推算其经过的晶粒的取向，再通过扫查实现大范围内晶粒取向分布图的绘制，克服了电子背散射衍射(EBSD)法检测区域小、检测效率低、样品制备要求高等缺点，本发明能够实现无损快速扫查，具有测量速度快、测量范围大、样品要求低、经济性好等优点，特别适用于晶粒较大材料的织构检测。
提出一种激光超声无损检测材料织构的方法，有利于大范围分析材料的晶粒取向，研究材料的织构特点，该方法具有检测范围大、速度快、样品要求低等优点。
具体实施方式
该种激光超声无损检测材料织构的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)测量
1.1样品要求及安放
将待测样品的待测平面磨光，将待测样品安放在二维移动工作台上，保证待测平面与二维移动工作台台面平行。
1.2调整光路
按照波长为a的脉冲激光器、直径为b的光圈、间距为c的光栅、直径为d的透镜及能透过波长为a的光同时能90°反射波长为e的光的双色镜的顺序组成激励设备，按照波长为e的连续激光器、直径为f的光圈、偏振分光器、四分之一玻片及激光干涉仪的顺序组成接收设备，将激励设备和接收设备同时安装在与所述二维移动工作台垂直的设备安装平台上，将波长为a的脉冲激光器发出的波长为a的脉冲激光依次通过直径为b的光圈、间距为c的光栅、直径为d的透镜、能透过波长为a的光同时能90°反射波长为e的光的双色镜，使该束激光垂直照射到待测样品的待测平面，在待测平面上形成多条间距为λ的平行的条形光斑，这些间距为λ的平行的条形光斑称为激励花样。
将波长为e的连续激光器发出的波长为e的连续激光先后通过直径为f的光圈、偏振分光器、四分之一玻片，使得波长为e的连续激光照射在双色镜上波长为a的脉冲激光边缘，经双色镜反射后，波长为e的连续激光照射在待测平面上的光斑称为接收光斑。
转动间距为c的光栅，使得激励花样中心与接收光斑的连线垂直于激励花样中条形光斑的长度方向，微调整个光路，使得接收光斑中心与激励花样中最近的一条条形光斑中心的距离为g。
经待测平面反射后的波长为e的连续激光称为接收激光，根据光路的可逆性，接收激光先后经过双色镜、四分之一玻片，然后被偏振分光器与波长为e的连续激光分离，调整激光干涉仪的位置，使接收激光进入激光干涉仪中。
1.3连接仪器
激光干涉仪的输出接口通过同轴电缆与数字示波器的接收接口连接，数字示波器与计算机通过USB接口或LAN接口相连。
1.4计算
利用计算机对数字示波器的信号进行快速傅里叶变换，获得峰值频率p，表面波声速v＝p×λ。
1.5扫查
将激励花样和接收光斑同时落在待测样品的待测表面上，待测样品在二维移动工作台的带动下运动，使激励花样和接收光斑遍历整个待测表面，同时记录下接收光斑位置i以及每一位置下的表面波声速vi；
(2)成像
将各位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的表面波声速vi中最大的值定义为256，最小的值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波声速分布二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染获得表面波分布二维彩虹图。
(3)修正
在扫查过的待测样品上取下一块能够满足电子背散射衍射(EBSD)检测要求的试样，该试样的一个面必须是扫查过的待测平面中的一部分，并且该部分上的晶粒个数不少于200个且晶粒取向随机分布，利用电子背散射衍射(EBSD)对这一试样上的待测平面进行晶粒取向扫查，获得该待测平面上各晶粒的取向分布图，建立各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系。
如果之前利用与待测样品相同牌号的材料建立过这一关系，该步骤可以省略，直接利用之前建立的关系进行下一步骤。
(4)二次成像
利用各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系对第二步的二维位置矩阵上各位置重新设置颜色，获得整个待测平面上各晶粒的取向分布图。
实施例1
牌号为TA11的钛合金锻件，其检测步骤如下：
(1)测量
1.1样品要求及安放
将待测样品的待测平面磨光，将待测样品安放在二维移动工作台上，保证待测平面与二维移动工作台台面平行。
1.2调整光路
按照波长为1064nm的脉冲激光器、直径为2mm的光圈、间距为0.1mm的光栅、直径为5mm的透镜及能透过波长为1064nm的光同时能90°反射波长为532nm的光的双色镜的顺序组成激励设备，按照波长为532nm的连续激光器、直径为2mm的光圈、偏振分光器、四分之一玻片及激光干涉仪的顺序组成接收设备，将激励设备和接收设备同时安装在与所述二维移动工作台垂直的设备安装平台上，将波长为1064nm的脉冲激光器发出的波长为1064nm的脉冲激光依次通过直径为2mm的光圈、间距为0.1mm的光栅、直径为5mm的透镜、能透过波长为1064nm的光同时能90°反射波长为532nm的光的双色镜，使该束激光垂直照射到待测样品的待测平面，在待测平面上形成多条间距为0.01mm的平行的条形光斑，这些间距为0.01mm的平行的条形光斑称为激励花样。
将波长为532nm的连续激光器发出的波长为532nm的连续激光先后通过直径为2mm的光圈、偏振分光器、四分之一玻片，使得波长为532nm的连续激光照射在双色镜上波长为1064nm的脉冲激光边缘，经双色镜反射后，波长为532nm的连续激光照射在待测平面上的光斑称为接收光斑。
转动间距为0.1mm的光栅，使得激励花样中心与接收光斑的连线垂直于激励花样中条形光斑的长度方向，微调整个光路，使得接收光斑中心与激励花样中最近的一条条形光斑中心的距离为0.01mm。
经待测平面反射后的波长为532nm的连续激光称为接收激光，根据光路的可逆性，接收激光先后经过双色镜、四分之一玻片，然后被偏振分光器与波长为532nm的连续激光分离，调整激光干涉仪的位置，使接收激光进入激光干涉仪中。
1.3连接仪器
激光干涉仪的输出接口通过同轴电缆与数字示波器的接收接口连接，数字示波器与计算机通过USB接口或LAN接口相连。
1.4计算
利用计算机对数字示波器的信号进行快速傅里叶变换，获得峰值频率p，表面波声速v＝p×0.01mm。
1.5扫查
将激励花样和接收光斑同时落在待测样品的待测表面上，待测样品在二维移动工作台的带动下运动，使激励花样和接收光斑遍历整个待测表面，同时记录下接收光斑位置i以及每一位置下的表面波声速vi；
(2)成像
将各位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的表面波声速vi中最大的值定义为256，最小的值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波声速分布二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染获得表面波分布二维彩虹图。
(3)修正
在扫查过的待测样品上取下一块能够满足电子背散射衍射(EBSD)检测要求的试样，该试样的一个面必须是扫查过的待测平面中的一部分，并且该部分上的晶粒个数不少于200个且晶粒取向随机分布，利用电子背散射衍射(EBSD)对这一试样上的待测平面进行晶粒取向扫查，获得该待测平面上各晶粒的取向分布图，建立各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系。
(4)二次成像
利用各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系对第二步的二维位置矩阵上各位置重新设置颜色，获得整个待测平面上各晶粒的取向分布图。
实施例2
牌号为TC4的钛合金锻件，其检测步骤如下：
(1)测量
1.1样品要求及安放
将待测样品的待测平面磨光，将待测样品安放在二维移动工作台上，保证待测平面与二维移动工作台台面平行。
1.2调整光路
按照波长为1064nm的脉冲激光器、直径为532nm的光圈、间距为0.05mm的光栅、直径为4mm的透镜及能透过波长为1064nm的光同时能90°反射波长为532nm的光的双色镜的顺序组成激励设备，按照波长为532nm的连续激光器、直径为4mm的光圈、偏振分光器、四分之一玻片及激光干涉仪的顺序组成接收设备，将激励设备和接收设备同时安装在与所述二维移动工作台垂直的设备安装平台上，将波长为1064nm的脉冲激光器发出的波长为1064nm的脉冲激光依次通过直径为4mm的光圈、间距为0.05mm的光栅、直径为4mm的透镜、能透过波长为1064nm的光同时能90°反射波长为532nm的光的双色镜，使该束激光垂直照射到待测样品的待测平面，在待测平面上形成多条间距为0.005mm的平行的条形光斑，这些间距为0.005mm的平行的条形光斑称为激励花样。
将波长为532nm的连续激光器发出的波长为532nm的连续激光先后通过直径为4mm的光圈、偏振分光器、四分之一玻片，使得波长为532nm的连续激光照射在双色镜上波长为1064mm的脉冲激光边缘，经双色镜反射后，波长为532nm的连续激光照射在待测平面上的光斑称为接收光斑。
转动间距为0.05mm的光栅，使得激励花样中心与接收光斑的连线垂直于激励花样中条形光斑的长度方向，微调整个光路，使得接收光斑中心与激励花样中最近的一条条形光斑中心的距离为0.015mm。
经待测平面反射后的波长为532nm的连续激光称为接收激光，根据光路的可逆性，接收激光先后经过双色镜、四分之一玻片，然后被偏振分光器与波长为532nm的连续激光分离，调整激光干涉仪的位置，使接收激光进入激光干涉仪中。
1.3连接仪器
激光干涉仪的输出接口通过同轴电缆与数字示波器的接收接口连接，数字示波器与计算机通过USB接口或LAN接口相连。
1.4计算
利用计算机对数字示波器的信号进行快速傅里叶变换，获得峰值频率p，表面波声速v＝p×0.015mm。
1.5扫查
将激励花样和接收光斑同时落在待测样品的待测表面上，待测样品在二维移动工作台的带动下运动，使激励花样和接收光斑遍历整个待测表面，同时记录下接收光斑位置i以及每一位置下的表面波声速vi；
(2)成像
将各位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的表面波声速vi中最大的值定义为256，最小的值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波声速分布二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染获得表面波分布二维彩虹图。
(3)修正
在扫查过的待测样品上取下一块能够满足电子背散射衍射(EBSD)检测要求的试样，该试样的一个面必须是扫查过的待测平面中的一部分，并且该部分上的晶粒个数不少于200个且晶粒取向随机分布，利用电子背散射衍射(EBSD)对这一试样上的待测平面进行晶粒取向扫查，获得该待测平面上各晶粒的取向分布图，建立各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系。
(4)二次成像
利用各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系对第二步的二维位置矩阵上各位置重新设置颜色，获得整个待测平面上各晶粒的取向分布图。
Claims (1)
1.一种激光超声无损检测材料织构的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)测量
1.1样品要求及安放
将待测样品的待测平面磨光，将待测样品安放在二维移动工作台上，保证待测平面与二维移动工作台台面平行；
1.2调整光路
按照波长为a的脉冲激光器、直径为b的光圈、间距为c的光栅、直径为d的透镜及能透过波长为a的光同时能90°反射波长为e的光的双色镜的顺序组成激励设备，波长为e的连续激光器、直径为f的光圈、偏振分光器、四分之一玻片及激光干涉仪组成接收设备，将激励设备和接收设备同时安装在与所述二维移动工作台垂直的设备安装平台上，将波长为a的脉冲激光器发出的波长为a的脉冲激光依次通过直径为b的光圈、间距为c的光栅、直径为d的透镜、能透过波长为a的光同时能90°反射波长为e的光的双色镜，使该脉冲激光垂直照射到待测样品的待测平面，在待测平面上形成多条间距为λ的平行的条形光斑，这些间距为λ的平行的条形光斑称为激励花样，
将波长为e的连续激光器发出的波长为e的连续激光先后通过直径为f的光圈、偏振分光器、四分之一玻片，使得波长为e的连续激光照射在双色镜上波长为a的脉冲激光边缘，经双色镜反射后，波长为e的连续激光照射在待测平面上的光斑称为接收光斑，
转动间距为c的光栅，使得激励花样中心与接收光斑的连线垂直于激励花样中条形光斑的长度方向，微调整个光路，使得接收光斑中心与激励花样中最近的一条条形光斑中心的距离为g，
经待测平面反射后的波长为e的连续激光称为接收激光，根据光路的可逆性，接收激光先后经过双色镜、四分之一玻片，然后被偏振分光器与波长为e的连续激光分离，调整激光干涉仪的位置，使接收激光进入激光干涉仪中；
1.3连接仪器
激光干涉仪的输出接口通过同轴电缆与数字示波器的接收接口连接，数字示波器与计算机通过USB接口或LAN接口相连；
1.4计算
利用计算机对数字示波器的信号进行快速傅里叶变换，获得峰值频率p，表面波声速v＝p×λ；
1.5扫查
将激励花样和接收光斑同时落在待测样品的待测表面上，待测样品在二维移动工作台的带动下运动，使激励花样和接收光斑遍历整个待测表面，同时记录下接收光斑位置i以及每一位置下的表面波声速vi；
(2)成像
将各位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的表面波声速vi中最大的值定义为256，最小的值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波声速分布二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染获得表面波分布二维彩虹图；
(3)修正
在扫查过的待测样品上取下一块能够满足电子背散射衍射(EBSD)检测要求的试样，该试样的一个面必须是扫查过的待测平面中的一部分，并且该部分上的晶粒个数不少于200个且晶粒取向随机分布，利用电子背散射衍射(EBSD)对这一试样上的待测平面进行晶粒取向扫查，获得该待测平面上各晶粒的取向分布图，建立各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系；
(4)二次成像
利用各晶粒的表面波声速vi与其取向分布图上的颜色的对应关系对第(2)步的二维位置矩阵上各位置重新设置颜色，获得整个待测平面上各晶粒的取向分布图。
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