基于ebsd圖譜的粗晶材料fdtd超聲檢測仿真模型建立方法
【專利摘要】一種基于EBSD圖譜的粗晶材料FDTD超聲檢測仿真模型建立方法，屬于超聲無損檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。其步驟為：直接利用EBSD技術(shù)獲取粗晶材料的晶體取向圖譜后，根據(jù)宏觀金相照片中的實際晶粒結(jié)構(gòu)，選擇閾值角定義圖譜中的晶粒，并以主取向?qū)?yīng)的顏色對晶粒進(jìn)行填充，并通過灰度處理獲得由方形像素點組成的圖像。晶粒取向由灰度值對應(yīng)的歐拉角Φ、表示，用以定量計算晶粒的彈性各向異性剛度矩陣。相比于以往模型，本模型具有晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒取向描述準(zhǔn)確、運算效率高等優(yōu)點，為解決粗晶材料超聲檢測中的缺陷定量、定位、定性問題提供模型基礎(chǔ)。本發(fā)明還可以拓展至奧氏體焊縫、雙相鈦合金等其他彈性各向異性多晶材料超聲仿真模型的建立，具有良好的推廣及應(yīng)用前景。
【專利說明】基于EBSD圖譜的粗晶材料FDTD超聲檢測仿真模型建立方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于EBSD圖譜的粗晶材料FDTD超聲檢測仿真模型建立方法，尤 其涉及超聲無損檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 奧氏體不銹鋼等粗晶材料廣泛應(yīng)用于核電和化工等領(lǐng)域，其安全性備受關(guān)注。由 于復(fù)雜的粗晶結(jié)構(gòu)和晶粒取向，此類材料具有很強(qiáng)的彈性各向異性，導(dǎo)致超聲無損檢測過 程中出現(xiàn)嚴(yán)重的聲束偏轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)噪聲、信號畸變等現(xiàn)象，難以準(zhǔn)確對缺陷進(jìn)行定位、定量和 定性。
[0003] 為解決上述問題，本領(lǐng)域的研究人員試圖建立相應(yīng)的超聲檢測仿真模型，借助模 擬手段描述超聲波與彈性各向異性結(jié)構(gòu)之間的交互作用。早期的模型是從焊縫仿真模型的 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，建模思路主要是參照材料的宏觀金相照片，將模型劃分為多個各向異 性單元。同時，根據(jù)柱狀晶晶粒生長特征，結(jié)合材料學(xué)知識，人為設(shè)置單元的晶體取向。由 于這種半經(jīng)驗的方法沒有對晶粒的取向和分布進(jìn)行準(zhǔn)確測量，導(dǎo)致模型的超聲計算與實驗 結(jié)果有很大差異。盡管后期引入了 XRD(X_Ray Diffraction，X射線衍射）對材料局部的晶 體取向進(jìn)行了測量，一定程度上修正了模型的取向設(shè)置，但是仍然無法準(zhǔn)確測得晶粒取向 的分布特征，使模型的發(fā)展受到了制約。
[0004] 2009年法國原子能委員在CIVA商用軟件中開發(fā)了一種基于泰森多邊形圖形法的 仿真模型。該模型利用泰森多邊形圍成的凸面封閉區(qū)域作為模擬晶粒，并假設(shè)晶粒為彈性 各向同性介質(zhì)。雖然這種模型能夠較為準(zhǔn)確地描述晶粒結(jié)構(gòu)，但是，通過隨機(jī)函數(shù)設(shè)置彈性 各向同性晶粒之間的聲速波動來等效彈性各向異性的方法，沒有考慮聲速隨超聲波傳播方 向的變化特征，導(dǎo)致模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果之間有較大出入。
[0005] 近年來，電子背散射衍射EBSD已經(jīng)被越來越多的國內(nèi)外材料研究學(xué)者所接受。該 技術(shù)既能表征材料的晶粒形貌又能定量描述材料的晶粒取向，被認(rèn)為是SEM和XRD的結(jié)合。 2009年，伯明翰大學(xué)的研究人員利用EBSD技術(shù)掃描了奧氏體焊縫截面，得到了晶體取向圖 譜。參照圖譜特征，利用CIVA軟件中的CAD功能繪制了由157個彈性各向異性單元組成的 模型。最后，根據(jù)單元的晶體取向?qū)ζ滟x以相應(yīng)的剛度矩陣，完成模型的建立。相比于以往 模型，這種通過實驗數(shù)據(jù)獲得的模型能夠更加準(zhǔn)確地描述晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒取向。
[0006] 但是，由于彈性各向異性單元數(shù)量影響該模型的運算效率，為了縮短運算時間，不 得不采用減少單元數(shù)量的方式簡化模型，即便如此，對于157個單元的模型而言，運行一次 仍然需要近100小時。此外，對于具有粗大的取向有序柱狀晶而言，這種簡化對計算結(jié)果的 影響較小。與焊縫不同，粗晶材料不僅含有取向有序的柱狀晶，還含有取向隨機(jī)分布的等軸 晶，而且晶粒尺寸相對較小。若采用上述簡化方法，會導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)和取向失真嚴(yán)重，影響 模型的計算精度。因此，粗晶材料的彈性各向異性單元劃分過程要求盡可能地還原晶粒結(jié) 構(gòu)，以保證計算精度。同時，還需要采取相應(yīng)的方法提高這種高精度模型的計算效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于EBSD圖譜的粗晶材料FDTD超聲檢測仿真模型建 立方法。相比于以往模型，本模型應(yīng)具有晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒取向描述準(zhǔn)確、模型運算效率更高 等優(yōu)點。還能模擬出粗晶材料超聲檢測中的結(jié)構(gòu)噪聲，有助于深入理解超聲波與各向異性 晶粒之間的交互作用，為解決粗晶材料中的缺陷定量、定位、定性問題提供模型基礎(chǔ)。同時 本發(fā)明還可以拓展至奧氏體焊縫、雙相鈦合金等其他彈性各向異性多晶材料超聲仿真模型 的建立，具有良好的推廣及應(yīng)用前景。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于EBSD圖譜的粗晶材料FDTD超聲檢測仿真模 型建立方法，包括如下步驟：
[0009] (1)根據(jù)《GB/T19501-2004電子背散射衍射分析方法通則》國家標(biāo)準(zhǔn)，對試樣進(jìn) 行切割、打磨、機(jī)械拋光、去應(yīng)力電解拋光等預(yù)處理。選擇40 μ m掃描步長對待測試樣進(jìn)行 EBSD分析；
[0010] ⑵利用EBSD裝置對試樣的整個截面進(jìn)行掃描，每次約6mm2,然后按照順序?qū)⒌?到的小區(qū)域圖譜進(jìn)行拼接，最終獲得由多張圖譜拼接而成的完整晶體取向圖譜；
[0011] ⑶根據(jù)實際材料的晶粒結(jié)構(gòu)，利用channel5分析軟件調(diào)整晶體取向圖譜中的閾 值角，確定模型的晶粒輪廓，將其作為模型的彈性各向異性單元；
[0012] (4)利用channel5分析軟件統(tǒng)計出每個單元中像素點數(shù)量最多的色階值，然后將 晶粒內(nèi)所有像素點的顏色統(tǒng)一為該色階值，并記下該色階值對應(yīng)的歐拉角；
[0013] (5)將EBSD圖譜導(dǎo)出為JPG格式的圖片，然后在Photoshop軟件中打開，轉(zhuǎn)化為灰 度圖像，將晶粒的色階值設(shè)置成相應(yīng)的灰度值，以PCX圖片格式導(dǎo)出并保存灰度圖；
[0014] (6)利用晶粒對應(yīng)的歐拉角

【權(quán)利要求】
1. 一種基于EBSD圖譜的粗晶材料FDTD超聲檢測仿真模型建立方法，其特征在于，包括 如下步驟： (1) 根據(jù)《GB/T19501-2004電子背散射衍射分析方法通則》國家標(biāo)準(zhǔn)，對試樣進(jìn)行切 害I]、打磨、機(jī)械拋光、去應(yīng)力電解拋光等預(yù)處理，選擇40 μ m掃描步長對待測試樣進(jìn)行EBSD 分析； (2) 利用EBSD裝置對試樣的整個截面進(jìn)行掃描，每次約6mm2,然后按照順序?qū)⒌玫降?小區(qū)域圖譜進(jìn)行拼接，最終獲得由多張圖譜拼接成的完整晶體取向圖譜； (3) 根據(jù)實際材料的晶粒結(jié)構(gòu)，利用channel5分析軟件調(diào)整晶體取向圖譜中的閾值 角，確定模型的晶粒輪廓，將其作為模型的彈性各向異性單元； (4) 利用channel5分析軟件統(tǒng)計出每個單元中像素點數(shù)量最多的色階值，然后將晶粒 內(nèi)所有像素點的顏色統(tǒng)一為該色階值，并記下該色階值對應(yīng)的歐拉角； (5) 將EBSD圖譜導(dǎo)出為JPG格式的圖片，然后在Photoshop軟件中打開，轉(zhuǎn)化為灰度圖 像，將晶粒的色階值設(shè)置成相應(yīng)的灰度值，以PCX圖片格式導(dǎo)出并保存灰度圖； (6) 利用晶粒對應(yīng)的歐拉角
Φ、
求得表示晶體取向的方向余弦矩陣R，
(1) 由R中的9個陣元Rn到R33推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)矩陣Rd，
(2) 利用rd對本構(gòu)剛度矩陣C進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到該晶粒取向下的彈性剛度矩陣C'， (;，=/(? (1) 其中，C為6X6矩陣，由3個獨立的彈性常數(shù)構(gòu)成，
(4) (7) 將模型輸入到FDTD超聲數(shù)值仿真程序，模型的下邊界設(shè)置為固體-真空界面，其余 三個邊界設(shè)置為無限邊界，選用高斯脈沖擬合波形作為聲源，放置在模型的不同位置，進(jìn)行 數(shù)值計算，最后將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比。
【文檔編號】G01N29/30GK104090033SQ201410339381
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】雷明凱, 趙天偉, 陳堯, 張東輝, 林莉, 楊會敏, 羅忠兵, 嚴(yán)宇, 周全, 劉麗麗 申請人:大連理工大學(xué), 核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司