用声波评估晶粒尺寸

金属材料的晶粒尺寸是影响其力学性能（如疲劳、蠕变、屈服强度等）的重要工程参量。通常，晶粒尺寸是采用光学金相法来测量的，主要不足之处一是属于破坏性的，二是仅能获得某些断面上的晶粒尺寸情况；而要评估材料的平均晶粒，利用超声波法是方便的。

超声波在多晶材料中传播时，其衰减主要是由散射和吸收引起的，参阅本篇第1章；而在波长λ远大于材料的平均晶粒尺寸D时（即λ＞＞D时），衰减主要是由散射引起的，这也是为什么晶粒尺寸的超声波评定多通过散射衰减的测量来进行的主要理由。不过20世纪80年代以来，对晶粒尺寸和超声波速度关系的研究有了进一步的发展。例如Hirsekorn就对散射系统和平面纵波及平面横波速度作为波数和晶粒尺寸D的函数作了计算。对几种选定的材料所作的数字计算表明：当参数k、D接近在超声波与晶粒尺寸之间出现共振状态时，纵波和横波的群速度会趋向最小，并预示当k、D数值对于纵波从0增大到0.6，对于横波从0增至1，在奥氏体型X6CrNil8-12钢中，纵波群速度下降1%，横波群速度下降1.3%。P.Palanichamy等进行了以超声波速度测量来评定晶粒尺寸的研究工作，所用步骤及结果如下：

1）用AISI316型不锈钢以不同的热处理工艺获得了12块具不同晶粒度的试样，为使所有试样除晶粒尺寸变化外获得相同的亚结构特性，所有试样在作不同热处理后，再在1050℃均匀化30min后水淬。

2）将12块试样中的8块通过金相检测，获得带不同晶粒尺寸试样的平均晶粒尺寸，其中三块的晶粒分布情况如图10.3-14所示。

图10.3-14 在有代表性AISI316型不锈钢中的晶粒尺寸分布

3）利用频率为2MHz的直射纵波和直射横波（SH波）探头，以接触式脉冲回波叠合法测量每一试样的超声波速度。由于试样直径50mm、厚度是18mm，探头直径为10mm，在每一试样上进行10次测量，大量晶粒参与了散射过程，可以认为满足了晶粒取向的统计随机性。

4）图10.3-15是AISI316型不锈钢中超声波速度与平均晶粒尺寸的关系图。利用数据点获得一直线拟合，相关系数为0.97。(www.xing528.com)

5）利用图10.3-15来评估12块试样中其余四块的平均晶粒度，而后对此四试块用金相法测出平均晶粒尺寸，并予以验证，两者的对应关系如图10.3-16所示。可以看到，两者有良好的对应性。这结果与Hirsekorn的理论预示是接近的。

图10.3-15 AISI316型不锈钢中超声波速度与平均晶粒尺寸的关系图

图10.3-16 超声波速度测量与金相法所测平均晶粒尺寸比较

用声速法评估平均晶粒尺寸的最大不准确度是20%，而一般衰减法约在35%左右。衰减测量会受晶粒分布的影响。通常，小量的大晶粒可改变衰减因子，特别是在瑞利散射区，可使测量结果有大的分散，但速度测量很少被此问题所影响。