无需预先了解速度信息的硬化层深度测量：一项使用FMC相控阵超声和CMP技术的实验研究

《Ultrasonics》：Hardened-layer depth measurement without prior velocity knowledge: An experimental study using FMC phased-array ultrasonics and CMP gathers

硬化层深度检测方法研究基于FMC超声相干阵技术，通过构建共中点（CMP） gather实现硬化层界面反射信号分离，结合能量叠加速度反演与Kirchhoff积分成像算法，解决了传统方法依赖已知硬化区声速的局限性。实验表明该方法精度达2.3%，优于B-scan和TFM方法，为工程应用提供非破坏性检测方案。

　　

费慧|耿树鹏|张雷|杜飞|王少峰|刘克宏|梁思文|刘文静

内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古014010，中国

摘要

硬化层深度是评估钢材表面强度、硬度和耐磨性的关键参数。本文提出了一种基于相控阵全矩阵捕获（FMC）的定量超声方法来测量硬化层深度，该方法摆脱了传统背散射方法对硬化区域声速先验知识的依赖。选择具有共同中点的发射-接收对形成共同中点（CMP）聚类，在该聚类中，界面反射表现出特征性的双曲线走时。引入了一种能量堆叠速度反演方案：进行速度扫描，并将接收信号沿着理论双曲线轨迹进行相干堆叠，以最大化的堆叠能量作为最佳估计值。实验结果显示，基体材料的速度为5960±10 m/s，与标称值（5850–5950 m/s）一致；硬化区域的速度为6020±10 m/s，与预期的淬火后速度升高一致。反演速度与金相学得到的平均值相差不到1%。利用反演速度，通过基尔霍夫积分迁移技术对硬化层界面进行成像，平均深度误差为2.3%。与B扫描和总聚焦方法（TFM）的结果相比，所提出的工作流程提供了更高的界面分辨率和更可靠的深度估计，为工程应用中的硬化层质量评估提供了实用解决方案。

引言

随着制造业中对关键部件性能要求的不断提高，热处理工艺在汽车制造、航空航天和各种高端设备制造等领域得到了广泛应用[1]、[2]。常见的热处理方法包括渗碳[3]、氮化[4]和感应淬火[5]。硬化层的深度是一个重要的参数，因为它直接决定了材料的表面强度、硬度和耐磨性，从而显著影响工件的服役性能和寿命[6]、[7]。因此，测量硬化层深度至关重要，是热处理质量控制的核心挑战[8]。

目前，检测硬化层深度的方法主要分为破坏性和非破坏性两类。其中，破坏性方法如金相分析和显微硬度测试具有高精度[9]，但需要取样或切割工件，这使得它们复杂、耗时，且不适用于现代制造业对结构完整性和在线检测的要求。相比之下，超声检测作为一种典型的无损检测（NDE）技术，在近年来被越来越多地用于评估硬化层深度。其中最广泛使用的是背散射方法，该方法将超声波传入工件并记录来自内部界面的反射回波信号。根据回波之间的时间间隔来估计深度[10]、[11]。Salchak Y A [12]和Sirén [13]在不同材料和淬火参数下应用了超声背散射方法进行硬化层深度检测，测量精度达到4%。基于这种方法，已经出现了能够测量超过0.5 mm均匀硬化层深度的商业设备[14]、[15]。然而，这种方法依赖于平均多个回波信号来估计深度，这限制了其解析硬化层空间分布的能力。尽管B扫描成像技术可以提供硬化层深度的二维分布[16]，但其成像原理本质上依赖于使用背散射方法对多个A扫描信号进行空间重建。由于硬化层界面产生的背散射回波极其微弱，这种方法的空间分辨率受到显著限制。

然而，现有的背散射方法通常假设硬化层中的超声速度与基体材料中的速度相同[12]、[13]。实际上，淬火会导致微观结构（如晶粒尺寸）和弹性特性（包括弹性模量）发生显著变化，从而在硬化层内部产生速度梯度[17]、[18]。这会在深度估计中引入不可忽视的误差。为了研究异质晶粒结构中的超声传播，P. Palanichamy [19]和Srinivasulu [20]结合电子显微镜和关于金属老化硬化与纵波速度之间关系的系统研究，建立了基于脉冲-回波重叠方法的定量模型。尽管超声衰减[21]和硬度测试[22]也可以用于速度校准，但这些方法依赖于破坏性的金相分析作为参考，这限制了它们在现场无损评估中的适用性。

在地震勘探中，Dell S [23]和Landa E [24]将反射波数据与各种地质层的空间坐标相结合，并利用衍射堆叠原理实现了不同深度下地下介质的迁移成像。这种方法为硬化层的深度成像提供了新的视角。硬化层的分布特性类似于地下地层。由于细小晶粒引起的散射效应[25]，来自硬化层的传统超声背散射信号极其微弱，常常被晶粒反射和噪声所掩盖。然而，通过超声相控阵中不同的接收元件可以检测到硬化层界面相同位置的反射。通过提取对应于不同界面位置的CMP聚类并应用迁移成像算法[26]，不仅可以实现反射波场的多重映射以提高成像分辨率，还可以通过相干堆叠波场来抑制随机噪声。此外，对于来自同一位置的反射，它们的传播路径和传播时间受到局部速度的影响[27]。因此，可以从不同接收位置的信号几何上观察到的时间-距离曲线特性来确定各种晶粒结构中的超声速度。此外，我们之前使用仿真模型对该方法进行了初步研究，为其在分层介质成像中的可行性提供了初步验证[28]。

本研究将最初在地球物理学中开发的反射波理论引入到超声无损评估硬化层深度中。提出了一种新的超声检测方法，结合了速度扫描分析和波场迁移成像。使用超声相控阵进行FMC以获取原始数据。通过提取不同发射-接收通道组合下相同反射点的信号，构建CMP聚类。基于这些聚类的时间-距离特性，使用速度扫描准确重建试样的内部速度分布。最后，利用基尔霍夫迁移算法实现硬化层深度的高分辨率成像。本文的结构如下：第2节建立了硬化层界面反射波的CMP聚类模型，提出了基于速度扫描的反演方法来确定硬化层的速度场分布，并简要回顾了基尔霍夫积分迁移成像方法。第3节介绍了用于微观结构金相检查和专门用于硬化层深度检测的超声相控阵测试的实验设置。第4节对相控阵接收到的信号进行了预处理，然后对硬化层的波速和深度进行了成像和分析。第5节提供了从分析中得出的结论。

节选内容

硬化层的速度反演

当超声波穿过热处理过的试样时，假设硬化层的深度为$h_0$，如图1(a)所示。超声波从表面点$O_1-O_3$发射，并在硬化层界面反射，然后由相应的接收元件$D_1-D_3$接收。如果表面发射点与其相应的接收器形成CMP聚类，则这些发射-接收对构成一个CMP聚类。在这种情况下，硬化界面上的点R代表

实验

本实验选择了45#钢作为实验材料。准备了尺寸为$100mm\times 50mm\times 20mm$的标准试样。为了模拟工程应用中的表面硬化要求，试样经过中频感应淬火处理，淬火频率为40 kHz，加热温度为860°C，随后进行水基淬火。淬火后，从中心提取了一个尺寸为$10mm\times 50mm\times 20mm$的金相试样

试样的信号处理

由于硬化层与基体材料之间的声阻抗对比相对较小，直接从原始超声数据中很难区分硬化界面的反射信号。为了有效提取硬化层的特征并抑制背景噪声和多次反射干扰，首先对原始数据进行了去噪处理，然后在频域中使用频谱减法[29]进行增强，从而提高了可检测性

结论

本研究提出了一种基于FMC超声相控阵数据的硬化层深度定量评估方法。通过构建CMP模型并将速度-频谱扫描与基尔霍夫迁移成像相结合，该方法克服了传统背散射技术的关键限制——即需要预先知道硬化区域的波速。因此实现了高分辨率的深度成像。实验验证表明，基体中的波速

CRediT作者贡献声明

费慧：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。耿树鹏：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，软件，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。张雷：监督，资源，项目管理，资金获取。杜飞：撰写——审阅与编辑，验证，

资助

本工作得到了国家自然科学基金（U24A20135）、内蒙古自治区自然科学基金（2024QN05051）、特种车辆设计与制造集成技术国家重点实验室开放研究基金项目（NKDHX2024035）、内蒙古自治区高等学校基本科学研究基金项目（2024YXXS057）、内蒙古自治区高等学校基本科学研究基金项目（2024QNJS011）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。