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)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。對上述研究結(jié)果加以歸納，可得出有關(guān)晶粒度超聲波無損表征的基本結(jié)論:

1) 由于初始條件與實(shí)際測量之間的差別(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晶粒的大小，但只能在比較的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

對于晶粒內(nèi)沒有亞結(jié)構(gòu)的簡單組織，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)待測部件種類及對晶粒尺寸的評(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，然后利用衰減測量方法，在不同頻率下，精確測量所有標(biāo)準(zhǔn)試樣的衰減。利用超聲波衰減測量結(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。對于待測晶粒尺寸，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測量結(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)就是操作簡單，然而該方法的可靠性取決于耦合情況以及操作者對衍射修正等的估計(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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