超声波表征微孔洞和微观组织的方法

如前所述，尺寸小至5μm左右的微孔隙对于频率约20MHz的超声纵波已不成为可探测的散射体，但可通过超声波速度的漂移来表征。多孔粉末冶金件中的声速如图11.6-23所示。由于声速的测量要求试件有上下平行的平整表面，使此法的运用受到一定限制。

图11.6-22 任何进入输入圆的缺陷产生反射脉冲

图11.6-23 多孔粉末冶金件中的声速

尺寸增大至20μm左右的微孔洞的存在或试件微观组织的变化可采用超声波衰减测量法来表征，但此法仍要求试件必须有上下平行的平整表面；此外，由于这种测量是在试件整个厚度范围内进行的，为了测量准确，必须考虑换能器与试件的耦合状况和声束的扩展情况，且衰减尚可来自与微观组织特性无关的吸收。为了避免这些实际的困难，可采用反向散射法。反向散射信号可定义为：在给定的时间范围内，入射超声波场中各单个散射体引起的信号相干相加所形成信号的反向散射部分。在荧光屏上，它是以噪声信号的形式出现的。在这里，它作为单个散射体，既可以是微孔洞也可以是晶粒。一般来说，散射的量不仅取决于输入功率和入射的波型（纵波或横波），还取决于散射体的密集度及其尺寸与所用波长之比。因此，在检查时必须适当地选择试验条件。在用接触法检测时，由于采用带延迟线的探头，在边界处因模转换和反射会引入附加的超声波信号，所以反散射测量在目前常限于采用最大频率不超过20～30MHz且不带延迟块的平探头。

图11.6-24所示为热等静压成形的Nimonic API合金制件中的反向散射幅度（噪声高度）与平均晶粒尺寸的关系图，所用超声波频率为15MHz。

如果试件的晶粒尺寸很小（2～4μm）且分布范围很窄，而微孔洞直径约20μm，则这种微孔实际上控制了超声波的衰减和反向散射。用标称频率为15MHz的窄脉冲宽带探头在FGH95合金粉末制件（致密时的声速不低于6.0×10³m/s）上进行测试，图11.6-25a为1#试件的超声波反向散射图，该试件的纵波速度为4.98×10³m/s。将一次底反射信号取出进行频谱分析，其结果如图11.6-25b所示，谱线分布集中于低频部分且幅度有调制现象，说明微孔尺寸已相当大。作为比较，图11.6-26给出了2#试件的检测结果，图11.6-26a中未见有反向散射信号，该试件纵波速度为5.94×10³m/s，谱线峰值在17MHz处且无幅度调制现象，说明孔隙尺寸相当微小。(www.xing528.com)

图11.6-24 热等静压成形的Nimonic API合金制件中的反向散射幅度（噪声高度）与平均晶粒尺寸的关系图

图11.6-25 FGH95合金粉末1#试件

图11.6-26 FGH95合金粉末2#试件

可以认为：微孔隙（1～5μm）的出现可导致声速漂移，但对声衰减影响不大；晶粒尺寸为波长的0.1%～1%时，散射是可忽略不计的。微孔洞（≈20μm）的密集出现，可导致声速漂移，也可形成散射信号，使衰减增大；当晶粒尺寸落在波长的2%～20%的范围内时，可形成散射体，衰减增大极快。但如无微孔隙或微孔洞时声速可不漂移，虽然稀疏的均匀分布的微孔洞对低周疲劳强度并不一定要严加限制，但当微孔洞明显成为超声波散射信号源时，就必须予以考虑。金相数据的统计分析表明，孔洞的分布并不是随机的而表现出有聚集的趋向，这使超声波检测显得更为必要。