基于頻域衰減系數(shù)的Al-Cu-Mg鋁合金激光超聲評(píng)價(jià)

徐 值,張澤文,魯宇杰,鄭 磊,廖文超,殷安民,仝 飛,束學(xué)道,徐海潔,左錦榮,陳 凱,李 博

(1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 寧波 315211;3.寧波科諾精工科技有限公司,浙江 寧波 315031)

1 引 言

目前工業(yè)上常用的微觀組織檢測(cè)方法是金相法,這種檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確,但是需要對(duì)試樣進(jìn)行拋光和腐蝕等處理,屬事后破壞性檢測(cè)方法。研究表明,超聲、X射線(xiàn)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有表征材料機(jī)械性能和微觀組織的良好潛力[1]。例如,Fawad Tariq等人[2]利用渦流和超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)2XXX系鋁合金對(duì)材料性能進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)超聲聲速和衰減系數(shù)隨時(shí)效時(shí)間的增加而增加。苑博[3]等人探究非線(xiàn)性超聲在力學(xué)性能檢測(cè)上的混頻檢測(cè)技術(shù)。顏丙生[4]等人通過(guò)無(wú)損檢測(cè)表征了鎂合金早期疲勞退化過(guò)程。采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)材料的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)已成為研究熱點(diǎn)[5-7]。

激光超聲作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),因其具有非接觸、遠(yuǎn)距離檢測(cè)、頻帶寬、可檢性和可達(dá)性好等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于金屬材料的微觀組織和性能檢測(cè)。薛仁杰等人[8-9]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法、粒子群算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了晶粒尺寸預(yù)測(cè)模型。董峰等人[10]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,對(duì)鋁晶粒尺寸計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Anmin Yin[11]通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合,用脈沖受激散射(ISS)激光超聲法測(cè)量了特殊取向的BCC單晶中聲表面波速度傳播的角色散曲線(xiàn)。Thomas Garcin等人[12-14]通過(guò)原位激光超聲技術(shù)對(duì)718鉻鎳鐵合金、純鈦和Ti-6Al-4V的晶粒尺寸進(jìn)行了評(píng)價(jià)。徐亞誠(chéng)等人[15]采用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EEMD)對(duì)激光超聲信號(hào)進(jìn)行降噪,建立了純鈦合金的平均晶粒尺寸預(yù)測(cè)模型。譚項(xiàng)林、劉星等人[16-17]提出了一種基于激光超聲的合金板材力學(xué)性能和彈性模量的檢測(cè)方法。殷安民、武旭等人[18-19]通過(guò)激光超聲檢測(cè)技術(shù),對(duì)金屬板帶的平均晶粒尺寸及其檢測(cè)精度進(jìn)行了研究。Zhenge Zhu等人[20]通過(guò)測(cè)量7055鋁合金的微觀組織以及激光超聲衰減系數(shù),建立了析出相尺寸與衰減系數(shù)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)超聲波的衰減與析出相的大小有關(guān)。但是,研究方向主要集中在對(duì)金屬材料微觀組織檢測(cè),對(duì)材料力學(xué)性能的無(wú)損評(píng)價(jià)方面研究較少。

本文采用激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)Al-Cu-Mg鋁合金進(jìn)行檢測(cè),采用變分模態(tài)分解法(Variational Modal Decomposition,VMD)提取激光超聲信號(hào)中的頻域衰減系數(shù),并分別與鋁合金的平均晶粒尺寸、析出相含量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度等微觀組織和力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行耦合,獲取鋁合金微觀組織和力學(xué)性能與激光超聲信號(hào)頻域衰減系數(shù)之間的關(guān)系,探究基于激光超聲的Al-Cu-Mg鋁合金析出相和力學(xué)性能無(wú)損評(píng)價(jià)方法。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與組織、性能檢測(cè)

本文選用2XXX系A(chǔ)l-Cu-Mg鋁合金作為實(shí)驗(yàn)材料,Al-Cu-Mg鋁合金板材經(jīng)軋制后制成長(zhǎng)寬為55 mm×50 mm厚度為2 mm的薄板,其具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 Al-Cu-Mg合金化學(xué)成分

對(duì)于軋制后的Al-Cu-Mg鋁合金板材,為了得到其不同性能和微觀組織,需要對(duì)試樣進(jìn)行熱處理,可以使其微觀組織發(fā)生改變,力學(xué)性能得到提高。用HX4A-15熱電爐對(duì)10塊試樣進(jìn)行T6固溶時(shí)效熱處理(圖1),具體工藝如表2所示。

圖1 熱處理工藝流程圖

表2 T6固溶時(shí)效熱處理工藝

對(duì)熱處理后的樣品依次進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光制得金相試樣,并使用日立新型熱場(chǎng)發(fā)射SU5000掃描電鏡檢測(cè)試樣析出相成分和含量。將試樣研磨到5000目后,在配比為HClO4:C2H5OH=1:9電解液中電解拋光,電壓為20 V,拋光時(shí)間20 s,并使用EBSD對(duì)試樣的平均晶粒尺寸進(jìn)行檢測(cè)。力學(xué)性能測(cè)試按照GB/T 228.1-2010,在MTS810電液伺服萬(wàn)能力學(xué)測(cè)試機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),每塊試樣測(cè)試3根樣品取平均值。使用VH-1102顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試樣品硬度,每個(gè)試樣測(cè)試10個(gè)點(diǎn)取平均值得到平均維氏硬度。

2.2 激光超聲檢測(cè)方案

用線(xiàn)切割將試樣切成35 mm×40 mm的小樣,經(jīng)研磨、拋光后在激光超聲實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖2所示。

圖2 激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)激光激發(fā)采用調(diào)Q的Nd∶YAG激光器,激光器的脈沖時(shí)間寬度為8 ns,脈沖能量為500 mJ,波長(zhǎng)為1064 nm,連續(xù)激光能量為500 mW。超聲波接收系統(tǒng)采用532 nm的連續(xù)激光器和BSO晶體搭建的雙波混合干涉儀。將拋光完的樣品置于二維移動(dòng)平臺(tái)上,脈沖激光經(jīng)反射鏡反射后通過(guò)凸透鏡聚焦在樣品表面,從而引起樣品內(nèi)部熱膨脹進(jìn)而產(chǎn)生超聲波。超聲波傳播至樣品另一面用雙波混合干涉儀和連續(xù)激光束進(jìn)行接收,用示波器顯示采樣信號(hào)并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。為消除采集誤差,每個(gè)樣品對(duì)3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了采樣,每個(gè)點(diǎn)的信號(hào)采取了8次平均。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 微觀組織與力學(xué)性能

將EBSD實(shí)驗(yàn)得到的原文件使用HKL Channel 5軟件進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)分析,通過(guò)對(duì)EBSD原始文件進(jìn)行降噪處理,得到如圖3所示的微觀組織MAP圖,并用Channel 5軟件計(jì)算試樣平均晶粒尺寸,具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 試樣EBSD MAP圖

表3 試樣平均晶粒尺寸

通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)用掃描電鏡(SEM)得到了Al-Cu-Mg鋁合金的電鏡圖,如圖4所示,同時(shí)用能譜(EDS)析出相成分進(jìn)行分析,可知析出相主要由Al2Cu和Al2CuMg相組成。部分區(qū)域存在著細(xì)小的孔洞,這是由于在拋光過(guò)程中析出相的脫落造成的。采用ImageJ軟件對(duì)各個(gè)試樣的析出相含量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表4所示。

圖4 試樣微觀組織SEM圖

表4 試樣析出含量

如圖5所示分別為固溶時(shí)間360 min和固溶溫度450 ℃時(shí)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,得到Al-Cu-Mg鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率如表5所示,同時(shí),各試樣10次硬度測(cè)試后的平均顯微硬度如表5所示。

圖5 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

表5 試樣力學(xué)性能

對(duì)Al-Cu-Mg鋁合金微觀組織對(duì)力學(xué)性能的影響分析發(fā)現(xiàn),固溶溫度、固溶時(shí)間與Al-Cu-Mg鋁合金析出相含量有一定的負(fù)相關(guān)性、與強(qiáng)度和硬度成正相關(guān)性,隨著固溶溫度和固溶時(shí)間的上升,使得原本夾雜在鋁基體周?chē)种凭ЯＩL(zhǎng)的堅(jiān)硬的析出相Al2Cu和Al2CuMg相逐漸溶入基體中,大量析出相溶入基體后,晶粒才得以長(zhǎng)大,并且使基體的固溶強(qiáng)化得以提高,從而在硬度和強(qiáng)度的增強(qiáng)中得到表現(xiàn)。

3.2 信號(hào)處理方法

在激光超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中,采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)含有大量噪聲,需要對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行降噪處理,方便對(duì)信號(hào)進(jìn)一步分析和特征提取。本文中采用變分模態(tài)分解法(Variational Modal Decomposition,VMD)對(duì)激光超聲信號(hào)處理,該方法能夠?qū)⒃夹盘?hào)從低頻到高頻分解為不同頻率下的多個(gè)模態(tài)函數(shù)圖,通過(guò)人為選擇模態(tài)函數(shù)圖下的信號(hào)對(duì)激光超聲信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),從而得到所需頻率范圍的信號(hào)圖。

設(shè)置合適的K值將信號(hào)分解為K個(gè)模態(tài)函數(shù),能夠有效避免大部分信號(hào)的模態(tài)混疊現(xiàn)象,本文對(duì)Al-Cu-Mg鋁合金的激光超聲信號(hào)K值設(shè)置為16,信號(hào)經(jīng)變分模態(tài)分解為16個(gè)有限帶寬的模態(tài)函數(shù),去除含有噪聲的模態(tài)函數(shù)圖,選擇超聲信號(hào)明顯的有限帶寬模態(tài)函數(shù)圖進(jìn)行信號(hào)重構(gòu),重構(gòu)后的激光超聲信號(hào)如圖6所示。

圖6 原始信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)

超聲波在多晶材料中傳播時(shí)的特性與其在固體傳播時(shí)相同,其傳播特性與材料的微觀組織密切相關(guān)。由于激光超聲信號(hào)中超聲波的帶寬較大,因此超聲波的頻域信號(hào)中同樣有著大量信號(hào)特征。通過(guò)對(duì)時(shí)域下的超聲波縱波信號(hào)做傅里葉變換(FFT)得到頻域下的信號(hào)進(jìn)行分析提取,得到信號(hào)頻域下的信息。

對(duì)圖6中VMD降噪后信號(hào)的第二回波到第六回波五個(gè)回波截取完整的回波信號(hào),對(duì)五個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,得到每個(gè)回波的頻譜圖,如圖7所示。

圖7 超聲波縱波回波頻譜圖

從圖7中可以發(fā)現(xiàn),這個(gè)五個(gè)回波經(jīng)傅里葉變換后其峰值均在頻率為13.8 MHz左右時(shí),最高頻率在60 MHz左右,且沒(méi)有出現(xiàn)頻率漂移現(xiàn)象。

選擇每個(gè)頻譜圖中波峰的幅值,不同回波下波峰的頻率均為13.8 MHz,可以用第二回波(Ai,其中i=2)和第三回波(Ai+1,其中i=2),第三回波(Ai,其中i=3)和第四回波(Ai+1,其中i=3)等進(jìn)行頻域下衰減系數(shù)的計(jì)算,代入衰減系數(shù)計(jì)算公式(1)中,即可得到激光超聲頻域衰減系數(shù)。

(1)

式中,Ai為前一次回波的幅值(i=1～5);Ai+1為后一次回波的幅值(i=1～5);L為試樣的厚度。

但是計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)不同回波之間計(jì)算出來(lái)的頻域下衰減系數(shù)存在差別,所以本文在計(jì)算了每相鄰兩個(gè)回波之間頻域下衰減系數(shù)后,根據(jù)公式(2)對(duì)得到五個(gè)頻域衰減系數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算,擬合結(jié)果如圖8所示。

圖8 頻域衰減系數(shù)擬合結(jié)果

P=Ae-αx

(2)

式中,P為傅里葉變換后的幅值;A為擬合后公式常數(shù);α為頻域衰減系數(shù);x為超聲波傳播距離。

從圖8頻域衰減系數(shù)的擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在對(duì)不同回波之間頻域下的衰減系數(shù)進(jìn)行擬合后,對(duì)應(yīng)的超聲波傳播距離和幅值具有較好的擬合優(yōu)度,擬合優(yōu)度均能夠達(dá)到0.95以上,各個(gè)試樣擬合計(jì)算得到的頻域衰減系數(shù)和擬合誤差如表6所示。

表6 Al-Cu-Mg鋁合金頻域衰減系數(shù)

3.3 微觀組織和力學(xué)性能評(píng)價(jià)

將EBSD實(shí)驗(yàn)獲得的Al-Cu-Mg鋁合金試樣的平均晶粒尺寸與激光超聲頻域衰減系數(shù)用最小二乘最佳擬合曲線(xiàn),如圖9所示。

圖9 晶粒尺寸與頻域衰減系數(shù)擬合曲線(xiàn)

從圖9晶粒尺寸與頻域衰減的擬合取向中可以發(fā)現(xiàn),大部分試樣的晶粒尺寸和頻域衰減系數(shù)集中在13～15 μm和0.125～0.15 dB/mm之間。而#0和#9試樣要偏離該區(qū)域,其中#9試樣的晶粒尺寸和頻域衰減系數(shù)均發(fā)生了突變,#0試樣僅有晶粒尺寸要小于該區(qū)域,它的頻域衰減系數(shù)也處于0.125～0.15 dB/mm范圍內(nèi)。

用三次多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)對(duì)晶粒尺寸與頻域衰減系數(shù)進(jìn)行擬合得到了晶粒尺寸的擬合公式,公式:

α=7.9945×10-4D3-0.02907D2+0.35363D-

(3)

此時(shí),平均晶粒尺寸與頻域衰減系數(shù)的擬合優(yōu)度R2為0.66187,這說(shuō)明激光超聲信號(hào)頻域衰減系數(shù)有一定的相關(guān)性,可以用來(lái)對(duì)Al-Cu-Mg鋁合金平均晶粒尺寸進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)。

為了對(duì)Al-Cu-Mg鋁合金析出相含量與激光超聲特征值的分布進(jìn)行分析,將析出相含量分別與激光超聲特征值在進(jìn)行擬合,如圖10所示,為Al-Cu-Mg鋁合金析出相含量和頻域衰減系數(shù)的擬合圖。

圖10 析出相含量與頻域衰減系數(shù)擬合曲線(xiàn)

對(duì)上圖的擬合曲線(xiàn)觀察發(fā)現(xiàn),#8和#9試樣的析出相含量分別為2.969 %和2.438 %,要明顯小于其他試樣的析出相含量,都發(fā)生了突變。觀察兩個(gè)試樣的激光超聲頻域衰減系數(shù)可以看到,#9試樣偏離預(yù)測(cè)區(qū)間較遠(yuǎn),其激光超聲特征值也都發(fā)生了突變,并且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他試樣,而#8試樣的析出相含量盡管也出現(xiàn)了一定的巨幅增大,但是它的頻域衰減系數(shù)變換幅度較小,在0.125～0.15 dB/mm范圍之間,這種變化程度完全可以忽略不計(jì)。

并且除#9試樣外,#0～#8試樣之間可以看到較為明顯的線(xiàn)性關(guān)系,將#0～#8的析出相含量和頻域衰減系數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合,得到兩者之間的擬合公式:

α=0.00459x+0.15911

(4)

得到的擬合優(yōu)度R2為0.69533,說(shuō)明頻域衰減系數(shù)和析出相含量有一定的相關(guān)性,可以用于析出相的無(wú)損評(píng)價(jià)。

因此,從上述分析中我們可以得出,Al-Cu-Mg鋁合金的析出相含量和平均晶粒尺寸與激光超聲信號(hào)頻域衰減系數(shù)均有一定的相關(guān)性,可以通過(guò)激光超聲檢測(cè)獲得Al-Cu-Mg鋁合金信號(hào)的頻域衰減信號(hào),對(duì)Al-Cu-Mg鋁合金的平均晶粒尺寸和析出相含量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

將拉伸試驗(yàn)和顯微硬度試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度等力學(xué)性能與頻域衰減系數(shù)采用最小二乘最佳擬合曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,擬合曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 力學(xué)性能與頻域衰減系數(shù)擬合曲線(xiàn)

抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度與頻域衰減系數(shù)均在用二次多項(xiàng)式擬合公式進(jìn)行擬合時(shí),獲得了最佳的擬合優(yōu)度,公式(5)、(6)、(7)分別為抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、顯微硬度與頻域衰減系數(shù)擬合的二次多項(xiàng)式公式:

(5)

(6)

α=2.0413×10-5HV2-0.00418HV+0.33986

(7)

抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、顯微硬度與頻域衰減系數(shù)二次多項(xiàng)式擬合的擬合優(yōu)度R2分別為0.69533、0.81393和0.88718?？梢园l(fā)現(xiàn)激光超聲信號(hào)頻域衰減系數(shù)和力學(xué)性能有一定的相關(guān)性,且屈服強(qiáng)度、顯微硬度與頻域衰減系數(shù)的擬合優(yōu)度均能達(dá)到0.8以上,相關(guān)性程度要更高?？梢酝ㄟ^(guò)人為的建立一個(gè)頻域衰減系數(shù)的區(qū)間范圍,來(lái)判斷Al-Cu-Mg鋁合金的力學(xué)性能是否符合要求,因此激光超聲信號(hào)頻域衰減系數(shù)可以用于力學(xué)性能的無(wú)損評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

通過(guò)激光超聲實(shí)驗(yàn),獲得激光超聲信號(hào)的頻域衰減系數(shù)與Al-Cu-Mg鋁合金的平均晶粒尺寸、析出相含量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度都有一定的相關(guān)性,并且屈服強(qiáng)度和顯微硬度與頻域衰減系數(shù)的相關(guān)性較高。因此激光超聲檢測(cè)技術(shù)能夠用于Al-Cu-Mg鋁合金微觀組織和力學(xué)性能無(wú)損評(píng)價(jià)。這為Al-Cu-Mg鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的非接觸、快速無(wú)損檢測(cè)提供了新方法。