欢迎使用文档

欢迎使用CTOME软件的文档。该产品由CTOME Inc.提出，该公司是自2014年以来哥伦比亚大学的衍生公司。

背景

用于冶金的激光超声波（LUMet）是加拿大国家研究委员会在Boucherville（QC，加拿大）开发的一种新型加拿大技术，用于商业传感器的阶段。在这种非破坏性和非接触技术中，激光用于产生和检测材料中的超声脉冲。测量超声波速度和衰减并与微观结构参数相关。 LUMet系统设计为Gleeble热机械模拟器的附件，用于在实验室模拟工业加工循环期间定期监测微结构演变。 LUMet系统由TECNAR Ltee公司构建，并由DSI公司集成到Gleeble系统。它在实验室中常规用于冶金研究。

为了进一步加快技术向工业的转移，公司CTOME公司成立于2015年，作为UBC，温哥华（加拿大不列颠哥伦比亚省）的衍生公司。该公司有两个目标：i）开发和改进LUMet数据处理软件; ii）培训和协助购买LUMet系统的新行业。本报告由CTOME软件生成，用于分析应用于冶金研究的激光超声信号。它整合了UBC在LUMet系统开发6年期间开发的一系列选择标准。它用于帮助用户调整软件参数，并允许冶金学家专注于使用该技术，在超声测试中很少或没有背景。

免责声明

CTOME Inc.对本文件产生的任何数据或结果不作任何明示或暗示的陈述或保证。 CTOME Inc.特别声明不对任何非侵权或适销性或特定用途的适用性做出任何默示保证，并且在任何情况下均不对任何利润损失承担责任，无论是直接的，后果性的，偶然的，特殊的还是其他类似的或类似的即使公司CTOME Inc.已被告知可能发生此类损害，也不会因任何缺陷，错误或未能履行而造成损害。

 

介绍

关于CTOME

该文档描述了CTOME开发的各种功能和程序，并提供了使用它们的指导。它被用作教育支持，逐步探索CTOME产品的功能。它仅包括冶金数据处理和金属超声测量分析的非常基本的背景知识。有关激光超声波技术的更多信息，建议参考适当的科学文献。

随着致力于冶金学研究的激光超声波技术的发展，材料科学家可以在物理模拟过程中实时测量更广泛的微结构参数。从超声测量计算微结构参数的固有困难可能构成该技术使用的强烈限制。 CTOME是作为评估微观结构参数的分析框架而开发的。

CTOME是配备图形用户界面的计算机软件。用户使用鼠标和键盘与数据交互。键盘条目用于在阅读器中输入值或文本。用户使用按钮并下拉以执行处理的所有步骤。结果以数字，pdf报告和ASCII数据文件的形式输出，以便进一步手动处理。

该软件专门用于冶金中的数据处理。该软件正在不列颠哥伦比亚大学材料工程系的研究框架内开发。 CTOME开发成为冶金科学家的强大软件，需要快速访问和处理大量数据。

 

获得帮助和更新

本文档提供了有关CTOME所有关键功能的概念信息。教程视频也可以在http://ctome.org/tutorials/上的教程部分找到。有关具体要求或问题，请联系thomas@ctome.org。

产品CTOME定期更新。这些更新提供了新功能，错误更正以及用户建议的可用性改进。它们可以从网页http://ctome.org/users/自动下载

从CTOME开始¶

需求

CTOME可以安装在任何Windows 7/8 32位或64位上，使用ctome.org提供的相同安装程序。

安装

请按照以下步骤在Windows上安装CTOME软件。

从http://ctome.org/页面的下载部分下载CTOME软件。解压缩后，您可以通过运行安装程序文件来启动安装过程。允许程序在计算机上进行更改。在Windows 8中，系统会要求您显示更多信息以便按下“无论如何运行”按钮，因为此时Microsoft无法识别其数据库中的安装程序的发布者。 CTOME不会修改计算机的系统文件。
直接在磁盘根目录中安装CTOME程序。保留默认安装目录C：\ CTOME \。
安装程序会创建一个目录并在安装目录中提取所有必需的库和文件夹。快捷方式安装在桌面和开始菜单中。
按照复选框的建议打开选项文件。也可以从开始菜单访问此文件。这是一个包含初始配置选项的文本文件。在option.txt文件的第2行中，您可以调整CTOME将搜索数据以进行分析的目录。这可以是磁盘上的任何目录。唯一的限制是目录名称不能包含空格。默认情况下，工作目录设置为C：\ CTOME \ data。
CTOME数据目录应按以下方式构建，以便软件访问您的数据。下图说明了如何构建数据目录。您可以在主目录中创建任意数量的文件夹，例如main子目录1。在每个新文件夹中，您将存储包含数据的新子文件夹，如下图所示的子目录1。

例如，下面的主文件夹是C：/ Users / Thomas / Documents / CTOME，如下图所示。 主子文件夹MISCELLANEOUS包含几个文件夹，即1CpsFathe，Al_Daan_stressflow，cct，chenlu，…在文件夹中，chenlu是从Gleeble机器接收的两个数据文件。 它实际上可以是任何一组ASCII数据，这些数据由带有包含列名的子标题的数字列构成。

 

 

注意LUMET用户Lumet数据应该位于一个名为LUMFILE的主子文件夹中，并且位于一个文件夹中，该文件夹的名称是您为特定的当前实验集合选择的。

现在可以从桌面或开始菜单中创建的快捷方式启动CTOME。 首次启动时，将提示以下消息，要求您激活软件。
将激活文件发送到thomas@ctome.org后，您将获得一个许可文件。 将此许可证文件放在目录C：/ CTOME / license中。 现在应该激活该软件并准备使用。

 

冶金中的激光超声波测试

介绍

金属和精加工工艺不断改进，以满足航空，土木工程，汽车和生物医学行业新技术的理想特性。这些努力旨在找到重量，强度，延展性，断裂韧性，可焊性和对环境的反应性之间的最佳平衡。因此，新的调查通常在大学，研究机构以及使用众多表征技术的行业中进行。二十多年来，激光超声波技术不断发展，现已与其他原位方法相结合，为工业加工路线中的微观结构演变提供定量信息。

激光超声技术是在远程生成和检测超声的基础上发展起来的[1]。其中，使用激光产生和检测超声波的两个重要好处是：i）对具有复杂形状的部件的测量和ii）在过程期间在高温下的研究。重点只放在后面。许多科学论文，专利以及“概念证明”已经证明了这种技术在金属热机械加工过程中进行原位微观结构控制的潜力。本报告总结了激光超声波非常适合实时测量的冶金应用，并确定了另一方面，它具有一些局限性的区域。

测量数量

多晶样品中的超声特性，即速度和衰减，是材料特性的函数。对于在多晶材料中传播的超声脉冲，超声速度与温度，弹性常数和样本纹理直接相关。它可用于评估相变，再结晶和影响样品密度和体积弹性常数的其他现象。衰减有三个来源，即衍射（与样品几何形状相关），散射（由晶粒之间的弹性不匹配引起）和内部摩擦或吸收（由多种机制产生，如位错运动，磁畴，界面迁移，溶质扩散，等…）。

测量速度和衰减的原理包括在样品中产生宽带超声脉冲并在通过微结构传播后检测几个回波。脉冲在样本的给定部分中行进所需的时间是延迟，并且两个不同回波之间的幅度变化是幅度衰减。此外，还需要估计两个回波之间的传播距离，该传播距离与样本尺寸有关（先验已知）。然后可以在一定范围的工艺参数中估算相分数，平均晶粒尺寸，再结晶部分和其他冶金性质，例如弹性常数，塑性应变比和纹理分量。

其目的不是进一步描述技术原理，而是关注允许和限制其适用于冶金工业过程控制的因素。参考文献的数量可以在文献中找到，其中提供了广泛的细节以及各种材料的应用实例。

 

过程变量和灵敏度

适用范围

适用性和方法的范围是根据过去30年在各种材料中进行的大量研究确定的。下表包含允许使用此技术进行测量的重要过程变量的非详尽列表。不同过程变量之间存在相关性，这直接影响每个部分中指出的适用范围。

为清楚起见，下面列出的评论基于连接到Gleeble 3500热机械模拟器（Dynamic System Inc.Poestenkill，NY）的激光超声波冶金（LUMet）传感器（TECNAR Ltee）的典型性能。在该传感器中，使用波长为532nm的倍频Q开关Nd：YAG激光器来产生宽带压缩超声脉冲。激光脉冲的持续时间约为6 ns，最大能量为72 mJ，每秒最多可产生50个脉冲。激光脉冲通过在表面蒸发少量材料（每百激光脉冲一微米量级）产生宽带超声脉冲。使用频率稳定的Nd：YAG脉冲激光器检测生成表面处的超声脉冲的连续到达，其每秒照射表面50次，具有1064μm的波长和90μs的脉冲持续时间的红外辐射。使用主动干涉仪方法在光折射晶体内部解调在样本表面上反射的红外检测激光。在该技术中测量的超声特性代表材料在由激光点表面（约2mm）产生的体积上乘以样品直径的平均性质。下图描绘了典型的超声波形，在片材样品上每秒可获得高达50次。

信号的初始周期受到超声波产生的干扰，并且被视为在信号的前0.5至1μs期间存在的大振荡。 压缩信号被识别为周期性地到达生成表面的大幅度回波。 剪切信号可以被观察为在两个压缩信号之间测量的较小振荡。 该超声信号的特性与微结构参数相关。 在像钢这样的弹性各向异性材料中，由于晶粒的弹性散射，衰减是主要的，并且可以与平均晶粒尺寸相关联。 此外，两个连续回波或延迟之间的时间用于评估超声速度。 该第二参数与在重结晶和相变期间可以变化的体弹性性质相关，作为对材料中晶粒的密度和晶体排列变化的响应。

样品厚度

LUMet技术可应用于一系列样品几何形状：厚度为1至15 mm的平板，直径为10至12 mm的圆柱形样品，长度与直径之比介于1.5和1之间，圆管，方棒，六角形条
这里提供的厚度范围通常允许测量衰减和速度测量所需的至少一个后壁回波。
由于高温下的信噪比和具有大晶粒尺寸的样品的降低，厚样品的测量更具挑战性。
样品的另外两个尺寸（宽度和长度）必须与厚度相比较大。建议厚度至少为2至3倍，以避免脉冲在其他表面上反射。 （例如，计划RD，ND或TD中的测量，薄板的ND通常是不可能的）
表面粗糙度以及氧化层也起作用。粗糙度大于50至100μm的表面测量变得越来越具有挑战性。各种类型的氧化物层的影响仍有待充分研究。已知强烈依赖于该层的粘合，即，与处理过程中形成的粘附性差的片状氧化物层相比，良好粘合到样品表面的均匀氧化物层不太明显。
薄样品上的测量可能是有问题的，因为在测量期间通过厚度对较少数量的晶粒进行采样，从而在测量数据中产生额外的不确定性。
在薄样本（1mm和更小）上测量的信号包含大幅度低频波，其几乎可以被认为是稳定波。当超声波长大致为样本厚度时，它正在发展。必须滤除此波，从而减少可用于分析材料参数的有效带宽。
只要样品和D激光器之间的对准足以收集某些信号，就可以在圆柱体上进行测量。面向圆柱体的两侧增强了信号噪声并减少了圆形表面上反射产生的回波数量。

粒度范围

LUMet适应性良好的晶粒尺寸范围为1至200微米。
晶粒尺寸测量可以在足够高度各向异性的材料中进行，以引起可测量的散射。
目前，在以下材料中测试了晶粒尺寸：低合金钢中的奥氏体，钴和镍超合金。由于这些材料中的小散射，难以测量铝，镁中的晶粒尺寸。尚未验证与钢中铁素体等磁性相同的晶粒尺寸的测量。
即使在高度各向异性的材料中，晶粒尺寸低于几微米通常也会导致非常微弱的散射，这使得测量具有挑战性。
根据已建立的晶粒尺寸测量方法，可测量的最小晶粒尺寸通常由用于信号处理的参考样品中的平均晶粒尺寸决定。
由超声衰减估计的平均晶粒尺寸对应于通过样品厚度的平均晶粒尺寸。例如，考虑到再结晶晶粒族和回收的晶粒，在部分再结晶的样品中进行的测量对应于平均晶粒尺寸。
校准或分析方法通常使用均匀的粒度分布构建，即最大粒度比平均值大2至3倍。与此标准的较大偏差将导致偏离金相数据。
校准和分析模型通常用于具有等轴或球形颗粒的材料。晶粒形态的强烈变化需要整合到方法中，以避免偏离金相数据。观察到当超声波脉冲在晶粒的长轴中传播时衰减变得更低[1]（因此预测的晶粒尺寸降低）。
当晶粒尺寸变大时，晶粒穿透厚度的数量会急剧减少，导致测量中的分散，即通过厚度采样的较少数量的晶粒导致不良统计。根据经验，当样品厚度与粒径之比大于50时，可获得足够好的统计量。
对于大晶粒尺寸（>200μm）或宽晶粒尺寸分布，使用单散射方法的常规建立方法不再可靠并且必须改进。

温度

LUMet适应的温度范围从室温到1300摄氏度。
温度在影响测量的超声波形质量的因素的发展中起作用。高温可导致形成氧化物层

 

应用LUMet技术

钢中奥氏体晶粒尺寸的评价

概念：

LUMet可用于检查Gleeble热处理循环期间奥氏体平均晶粒尺寸的演变。这是可能的，因为样品中产生的宽带超声脉冲与微结构相互作用。在样本中来回一次或多次之后，通常可以认为所接收的回波的幅度与晶粒的体积成反比。晶粒越大，回波的幅度越小，换句话说，超声波衰减越大。由于存在晶粒而导致的衰减源称为超声波散射。它通常是各向异性材料（如钢中奥氏体）衰减的主要来源。理解谷物散射的重要方面是它是脉冲频率的函数。也就是说，通过计算衰减光谱的频率依赖性来测量晶粒尺寸。因此，在评估样品中的超声衰减时，必须使用一种方法，其中所有其他衰减源不依赖于频率。该方法称为单回波技术。

LUMet测量样品中的一系列波形。波形由在时间为零的初始发生爆发和对应于脉冲在发生表面到达的连续回波组成。第一个回波的传播距离是样本厚度的两倍;它是第二回声的厚度的4倍，依此类推。通过测量频域中两个回波的幅度比来计算衰减及其频率依赖性。如果两个回波具有不同的传播距离，例如第一和第二回波，或者例如第二和第三回波，则称为衍射的另一个贡献修改衰减的频率依赖性。由于其特定的几何形状，脉冲在样品中的扩散可以在现象学上理解衍射贡献。对于给定的几何形状，衍射的贡献对于第一，第二和第三回波是不同的，因为它们在样本中行进了不同的时间。相反，衰减必须通过已经行进相同传播距离的两个回波的回波幅度的比率来评估，例如两个不同波形的第二回波。然后，人们将谈论单回波技术，因为在每个测量波形中使用单个回波。在实践中，可以在室温下测量样品中的参考波形，并使用该参考波形中包含的回波（称为参考回波）来计算超声衰减。在这种情况下，衰减的频率依赖性与d2-d02成比例，其中d0是参考样品中的平均晶粒尺寸，d是被测样品中的平均晶粒尺寸，通常称为电流样品。如果参考样品与当前样品相比具有小的晶粒尺寸，那么术语d02可以忽略并且晶粒尺寸的测量是绝对的。在这种情况下，NRC开发的校准可用于评估奥氏体中晶粒尺寸的绝对值。当样品具有弱纹理时，这种校准是有效的，这通常是低合金钢中奥氏体的情况。

测量范围：

平均晶粒尺寸范围为5μm至200μm，
温度范围为900°C至1300°C
晶粒长宽比（长轴除以短轴）的范围为1至0.7
晶粒尺寸分布（最大晶粒尺寸除以平均晶粒尺寸）的范围为1至3
最小晶粒厚度必须大于50
校准已经可用于上述参数范围[2]。
可以在等温保持和连续加热期间进行测量

钢构成：

低碳低合金钢（HSLA，TRIP，DP，CP）
尚未经过奥氏体不锈钢验证
间隙自由钢很难

注意：

测量需要的参考样品具有与测量样品相同的几何形状和细晶粒尺寸（<5μm）
厚样品的测量会影响可测量的最大晶粒尺寸
在非常高的温度下测量会影响可测量的最大晶粒尺寸
薄板上的测量由于有限的晶粒厚度导致统计问题
必须知道样品厚度，精度约为0.1毫米
必须知道温度，精度约为10°C
误差估计为绝对平均晶粒尺寸的10％至15％

参考文献：[3] – [10]

 

监测钢的相变

相分数的评估基于相变期间的速度变化的评估。通过传播距离与两个连续回波之间的延迟的比率，从超声信号实验获得超声纵向速度。超声速度对相分数的敏感性是由于不同相组分的不同弹性常数和密度。两相域中的速度很好地近似于由其体积分数加权的母相和产物相的速度之和。因此，通过在母相测量的速度和产物相测量的速度之间的经典混合规则可以获得转化的分数。当所用材料没有或具有弱磁性时，母体和产品相的超声速度随温度线性变化，并且可以外推以应用经典的杠杆规则。在钢中，铁素体的速度随着温度低于居里温度770℃而非线性变化，但在该温度以上线性变化，并且奥氏体中的速度在其存在的所有温度下线性变化。因此，经典的杠杆规则不能直接应用于测量的速度，以评估冷却时转变的奥氏体分数。相反，杠杆规则应用于加热时测量的铁素体速度和从其稳定域外推到低温的奥氏体速度。

在750°C以下发生奥氏体分解
当与纹理变化相关时，即当从冷轧状态开始时，形成奥氏体。
可以在等温保持和连续加热期间进行测量
可在冷却速率高达150°C / s时进行
测量不受吹气样品的影响
水淬时不能进行
低碳钢，中碳钢和高碳钢
变换的分数的测量需要连续评估从完全奥氏体区域到较低温度范围的速度
对于转换分数的单次测量，需要进行校准，并且需要准确了解样品温度
与膨胀测量法一样，测量结果不能提供单相的分数，如铁素体，贝氏体和马氏体。
高于居里温度（约750°C）的相变评估具有挑战性，因为母体和产品相的速度相似
使用校准时，必须知道样品厚度，精度约为0.1 mm
使用校准时，必须知道温度，精度约为10°C
参考文献[11]，[12]，[13]

 

钢中铁素体再结晶的测量

由于测量了超声波速度的变化，LUMet针对冷轧钢中铁素体再结晶的测量进行了优化。测量可在等温或连续加热条件下进行。为简单起见，人们将集中精力在等温条件下进行测量。在冷轧钢中，晶粒通常在轧制方向上高度伸长，并且通常充满称为位错的内部缺陷。位错是在冷轧步骤中产生的晶体中的空位线，以适应变形。他们正在加强微观结构，增加材料屈服点;它们使材料更坚固但更脆（更低的断裂韧性）。而且，变形过程通常与材料中纹理的特征演变有关，即一些结晶取向倾向于在变形方向上对齐。例如，人们可以谈论冷轧钢中的变形纹理。这些在文献中有很好的记载，并且通常是钢组成的函数。随着样品被加热到中间温度（低于奥氏体形成温度），将发生称为再结晶的现象。它对应于材料中全新的晶粒族的形成。他们将逐步完全取代冷轧结构。不仅这些新晶粒没有位错，它们还具有不同的晶体取向，通常涉及再结晶织构。因此，与再结晶过程相关的样品的质地发生变化，即从变形的织构到再结晶的织构。纹理的这种变化在强度上取决于初始纹理的强度，材料成分和一些其他因素。然而，这种纹理变化通常足以影响超声波速度的值。实际上，在样本中传播的波的速度与样本纹理成正比，随着纹理在重结晶过程中演化，速度值也将演变。

在铁氧体温度范围内
可以在等温保持和连续加热期间进行测量
低碳钢，中碳钢和高碳钢
铁素体不锈钢
其他铁基合金，铁素体结构
重结晶部分的测量需要连续评估从完全变形状态到完全重结晶状态的速度
对于重结晶部分的单次测量，需要进行校准，并且需要准确了解样品温度
测量灵敏度取决于再结晶过程中纹理变化的强度，即纹理变化越大，灵敏度越好。
使用校准时，必须知道样品厚度，精度约为0.1 mm
使用校准时，必须知道温度，精度约为10°C
参考文献[14]，[15] [3]

 

监测钢中奥氏体再结晶

通常在单轴压缩测试后在高温下保持时在Gleeble中进行
采用厚样品挑战大颗粒奥氏体晶粒（>150μm），以保持可接受的信噪比
圆柱形样品，直径10至12毫米，长度和直径之比在1.5和1之间。
可适应板上测量
低碳钢，中碳钢和高碳钢
重结晶部分的测量需要连续评估从完全变形状态到完全再结晶状态的衰减和速度
对于重结晶部分的单次测量，需要进行校准，并且需要准确了解样品温度
测量灵敏度取决于再结晶过程中纹理变化的强度，即纹理变化越大，灵敏度越好。
使用校准时，必须知道样品厚度，精度约为0.1 mm
使用校准时，必须知道温度，精度约为10°C
参考文献[16]

监测钢铁的回收过程

很少有研究表明恢复期间的速度变化与位错阻尼的变化有关。
衰减既是晶粒散射的函数，也是位错密度的演变。
需要模型来定性地估计位错密度的变化
整体进行的有限研究
测量具有挑战性，通常需要同时进行应力松弛测量
用户必须参考现有文献
参考文献[17]，[18]，[19]

评估其他金属的晶粒尺寸

平均晶粒尺寸范围为5μm至200μm，
温度范围从室温1300°C
晶粒长宽比（长轴除以短轴）的范围为1至0.7
晶粒尺寸分布（最大晶粒尺寸除以平均晶粒尺寸）的范围为1至3
最小晶粒厚度必须大于50
各向异性因子大于2.5的任何金属
经过钴基超级合金验证
经验证可用于镍基超级合金
测量需要具有与测量样品相同的几何形状的参考样品。
厚样品的测量会影响可测量的最大晶粒尺寸
在非常高的温度下测量会影响可测量的最大晶粒尺寸
薄板上的测量由于有限的晶粒厚度导致统计问题
必须知道样品厚度，精度约为0.1毫米
必须知道温度，精度约为10°C
误差估计为绝对平均晶粒尺寸的10％至15％
参考文献：[20]，[21]

 

铝合金再结晶监测

用户必须参考可用的文献来评估可行性
参考文献[22]，[23]，[24]，[25] [26]

铝合金残余应力评估

用户必须参考可用的文献来评估可行性
参考文献[27]

监测钛的相变

可以在等温保持和连续加热期间进行测量
可在冷却速率高达150°C / s时进行
测量不受吹气样品的影响
水淬时不能进行
纯钛和钛合金
转换分数的测量需要在β到α或α到β转换期间连续评估速度
对于转换分数的单次测量，需要进行校准，并且需要准确了解样品温度
β相中的大量晶粒生长可导致测量中的缺乏或可重复性。
使用校准时，必须知道样品厚度，精度约为0.1 mm
使用校准时，必须知道温度，精度约为10°C
参考文献[28]

β稳定钛合金的老化研究

可以在等温保持期间进行测量
β稳定钛合金
转换的分数的测量可能需要初步校准
使用校准时，必须知道样品厚度，精度约为0.1 mm
使用校准时，必须知道温度，精度约为10°C
参考文献[29]

评估六边形材料的纹理

用户必须参考可用的文献来评估可行性
参考文献[30]，[31]

监测烧结过程

激光超声波技术可用于监控烧结过程。 [32] [34]
理性相对简单。在两相材料中，化合物的弹性性质和密度是各相的性质的函数，每个相的体积分数加权。在压实的金属粉末中，两相是空隙和粉末，它们具有明显不同的弹性和密度。因此，量化烧结过程的简单方式是跟踪过程中超声波速度的变化。随着空隙分数的减少，速度v = sqrt（弹性模量/密度）将增加。
衰减更难以解释，但也可能提供估算烧结阶段的方法，因为空隙将充当强散射中心并分散波能。来自Liu的论文更为基础，并解释了应用于烧结过程的衰减测量的概念。 [33]

评估金属中的塑性应变比

用户必须参考可用的文献来评估可行性
参考文献[35]

其他化合物的弹性模量测量

用户必须参考可用的文献来评估可行性
参考文献[36]

有关提前LUMet测试的其他信息。

加热速率和冷却速度

LUMet测试期间建议的最大加热速率为100°C / s。这涉及LUMet激光器的最大重复率，即每秒50个脉冲。较大的加热速率将导致在大的温度范围内仅进行少量测量并且可能影响测量质量。

LUMet试验期间的最大冷却速率约为50℃/ s。只有气体淬火才能与LUMet一起使用，以避免损坏LUMet窗口，激光通过该窗口进入并离开gleeble槽。

最大冲程率

在保存样品中心的激光光斑时适用的最大行程速率为2mm / s。当使用更高的行程速率时，LUMet位置将不再在变形期间位于样品的中心。但是，在完成变形步骤后不久它将到达样品中心。

LUMet除数

LUMet除数是用于在涉及LUMet的gleeble测试期间控制激光脉冲的重复率的系数。重复率或频率由50 / LUMetDivisor给出。对于LUMet除数为50，激光测量的频率为1 Hz，LUMet除数值为1时为50 Hz。最大LUMet除数值为99，对应于约0.5Hz的频率。只能在LUMet除数中输入整数值。

 

LUMFILE（Lumet软件）

介绍

LUMFILE是专门用于分析从激光超声波传感器LUMet获得的激光超声波数据的模块。

LUMFILE模块的图形用户界面如下图所示。 该模块由3部分组成，即i）左侧的控制显示器ii）右侧的图形显示区域和iii）设置窗口对话框

以下部分定义参数的名称及其功能，每个下拉列表中可用的选项以及每个按钮和比例尺的操作。

 

软件参数

以下部分定义了LUMFILE模块的不同参数和设置。

主窗口

顶级菜单栏

File/Open: 文件/打开：启动向导以从LUMFILE目录加载文件。文件必须放在LUMFILE目录中包含的文件夹中。对于一个测试，三个文件必须存在于文件夹中（1）ASCAN文件，2）.dt *文件文件3）.d *文件）

Process/Setting: 流程/设置：
打开设置对话框。

Process/Normalize: 过程/正常化：
在单次扫描之后，可以通过所选门内的最大幅度对波形集进行归一化。

Process/De-normalize: 过程/反规范化：
使用此选项可以对波形进行非规范化。

Process/Rectify: 过程/矫正：
取波形幅度的绝对值。

Process/De-Rectify: 处理/解矫正：
使用此选项取消了矫正选项。

Process/Fraction transformed: 进程/分数转换：
打开对话框以配置分数变换计算。

Process/Recrystallization: 处理/重结晶：
打开对话框以配置重结晶分数计算。

Save/Single scan results: 保存/单次扫描结果：
将单次扫描的结果保存到ASCII输出文件中。

Save/Raw Waveform: 保存/原始波形：
导出原始或未滤波的波形。该文件包含两列，包括时间（us）和幅度（V）

Save/Filtered Waveform: 保存/过滤波形：
导出已处理或已过滤的波形i。该文件包含两列，包括时间（us）和幅度（V）

Save/Raw Waveform Spectrum: 保存/原始波形频谱：
导出原始或未滤波的波形频谱。该文件包含两列频率（MHz）和波形傅里叶变换的幅度。

Save/Time b-scan: 保存/时间b扫描：
此选项用于及时导出一批波形。

Save/Time b-scan: 保存/时间b扫描：
此选项用于以频率导出一批波形。

Save/Attenuation spectrum: 保存/衰减频谱：
打开一个对话框，对衰减频谱，平均，拟合和输出进行特定操作

 

终奌站

输出端子用于多种用途，它显示提示，电流设置和分析状态。

纽扣

获取值：单击此按钮可以获得一个值，然后单击底部图形的相应区域以获取该点的坐标。
L：移动到比例尺的左侧
R：移动到比例尺的右侧
+1：将1添加到比例尺的值。此按钮仅在当前值后至少再显示1个值时才有效。
+10：将10添加到比例尺的值。此按钮仅在其当前值之后至少再显示10个值时才有效。
+100：将100添加到比例尺的值。此按钮仅在其当前值之后至少再显示100个值时才有效。
-1：将1除去比例尺的值。此按钮仅在其当前值之前至少显示1个值时才有效。
-10：将10移除到比例尺的值。此按钮仅在当前值之前至少显示10个值时才有效。
-100：删除100到比例尺的值。此按钮仅在当前值之前至少显示100个值时才有效。

组合框

文件选择组合框，显示选择用于分析的文件列表。

Waveform graphs: 波形图：显示位于顶部原始和左侧的图形的选项列表。此处显示的属性归因于各个波形。可用选项包括：

Current Waveform: 电流波形：显示当前波形

Reference Waveform: 参考波形：显示参考波形

Delay Amplitude: 延迟幅度：显示用于飞行时间或延迟测量的互相关函数。

Echo Amplitude:回波幅度:显示所选回波的幅度谱

Waveform Spectrum: 波形谱    : 显示波形频谱

Attenuation spectrum: 衰减谱   显示门控回波的衰减频谱

Metallurgical process graphs:  冶金过程图：显示位于底部原始图中的图的选项列表。此处显示的属性归因于整个测试。可用选项包括：

Thickness: 厚度:显示测试期间样品厚度相对变化的演变。

Noise: 噪音:显示测试过程中噪音水平的变化。

X Correlation: X相关:显示测试期间互相关函数幅度的演变。

Velocity 速度:显示测试过程中速度的变化。

Signal/Noise: 信号/噪声:显示测试期间信噪比的变化。

Bandwidth: 带宽:显示测试期间可用带宽的演变。

Standard Error: 标准误差:显示应用于衰减谱的最小二乘回归的良好性演变。

Attenuation: 衰减:显示位于所选带宽内的4个频率的衰减演变。

Grain size Variable: 粒度可变：显示与样品中的平均晶粒尺寸相关的衰减参数的演变。

Grain size:晶粒尺寸:显示测试过程中平均晶粒的演变。

Fraction Transformed: 分数转换  显示测试期间转换的分数的演变。

Fraction Recrystallized: 馏分重结晶：显示测试期间重结晶的部分的演变。

Temperature Time: 温度时间：显示温度曲线。

 

表

该表显示了当前波形，当前温度和时间以及信号/噪声比值，电流波形的最大频率以及应用于衰减频谱的非线性最小二乘回归的良好性。颜色代码表示波形是否通过了一系列验收标准。绿色表示已通过测试，红色表示波形将被拒绝。

 

进度条

集成了三个进度条：

1. 顶部进度条指示单个扫描的进度
2. 中间进度条指示单个ascan文件的多个或完整扫描序列的进度。
3. 底部进度条指示多个文件的多次扫描进度。

右侧面板

通过手动将主窗口向右扩展，可以访问比例尺的数量。它们用于缩放和调整图中的轴范围。

• WAVEFORM，Xmin：以微秒为单位设置当前波形和参考波形图的X轴的最小值。
• WAVEFORM，Xmax：以微秒为单位设置当前波形和参考波形图的X轴的最大值。
• WAVEFORM Y比例： 设置当前波形和参考波形图的Y轴的比例因子，以百分比表示。
• SPECTRUM Xmin：设置波形频谱图X轴的最小值，单位为MHz。
• SPECTRUM Xmax：设置波形频谱图X轴的最大值，单位为MHz。
• SPECTRUM Yscale： 设置衰减谱图的Y轴的缩放系数。
• Zoom in Graph (%): 放大图表（％）：  设置应用于底部图形的缩放比例因子，显示i）单频衰减，ii）速度，iii）粒度iiii）分数

 

设置对话框

顶级菜单栏

菜单/保存当前参数为默认值：
将当前设置保存为默认值。
菜单/重置默认参数：
从第一次安装中恢复默认值。

按钮和复选框

UPDATE: 更新：使用当前设置开始扫描
SUBMIT:提交：使用当前设置开始扫描
SAVE:保存：将扫描结果保存在当前文件夹中。
STOP:停止：中断扫描。
Decay:衰减：及时激活阻尼系数的计算。
Advanced:高级：在设置表中显示高级参数。
Single:单一：使用设置表中的参数选择单次扫描。它只会使用选定的Fmin和Fmax生成一次扫描。
Complete:完成：使用设置表中的参数选择完整扫描。它将通过改变Fmin和Fmax的值生成一些扫描，并将结果报告为自动生成的pdf。

组合框

模式选择

• 弹性模量：选择Two Echo方法评估速度和衰减。相同的波形用于选择参考和电流回波。
• 晶粒尺寸：选择Single Echo方法评估速度和衰减。不同的波形用于选择参考和电流回波。

 

材料选择

• Steel 钢
• Aluminium 铝
• Copper 铜
• Aust SS
• Niobium 铌
• Titanium 钛（hcp）
• Titanium 钛（密送）
• Cobalt 钴（fcc）
• User Defined 用户自定义

轴选择

• 绘图时间
• 绘图温度
• 厚度

Thickness auto : 厚度自动：指定没有可用于随温度变化样品厚度的信息。将改为使用所选材料的模型参数。
Dilatometer :扩张计：指定在LUMet测试期间对样品的宽度进行一些扩张测量，并且可用于随温度变化样品的厚度。在样本的宽度和厚度中测量的变化之间考虑各向同性假设。

校准

• Cal：Autenite (T>900C)：指定低合金钢方法的奥氏体校准将用于通过衰减测量评估晶粒尺寸。
• 校准: Cobalt Nickel steel 钴 镍 钢：指定钴校准将用于评估衰减测量中的晶粒尺寸。

参考

Auto Ref. Temperature:  自动参考温度：用户定义参考温度
Auto Ref. Time:自动参考时间::用户定义参考时间
Manual reference waveform :手动参考波形：用户定义参考的波形编号

 

配置参数：

• Sample thickness 样品厚度（mm）： 定义样品厚度
• Reference grain size at T_0 (um): 参考晶粒尺寸为T_0（um）： 以um为单位定义参考粒度。
• Reference temperature T_0 (C): 参考温度T_0（C）： 用C定义参考温度。
• Reference waveform number (#):参考波形编号（＃）： 以s为单位定义参考时间。
• Echo number (#): 回声数（＃）： 选择用于评估衰减谱的回波数。在单回波方法中，衰减是根据Ref.Echo给出的回波数的幅度谱的比率计算的。在参考波形和电流波形中。在双回波方法中，衰减是根据Ref.Echo给出的回波数的振幅谱的比率计算的。和当前波形中的Ref.Echo。+ 1。
• Minimum frequency (MHz) 最低频率（MHz）： 在单次扫描期间应用于衰减频谱的非线性回归中考虑的最低频率。
• Maximum frequency (MHz): 最大频率（MHz）： 用于单扫描模式，在单次扫描期间应用于衰减光谱的非线性回归中考虑的最大频率。

ADVANCED PARAMETERS:高级参数：

• Minimum signal to noise ratio (#): 最小信噪比（＃）： 接受和拒绝波形时接受的最小信噪比。 （默认值为5）
• Maximum error on fitting : 安装时的最大误差： 应用于衰减谱的非线性回归可接受的最大百分比误差。如果错误较大，则将拒绝粒度值。 （defaut值是20％）
• Number of echoes used for delay: 用于延迟的回波数： 在同一波形（弹性模量模式）中选择2个回波时，此参数定义两个门之间的回波数。
• Minimum frequency scanned: 扫描的最低频率： 在完整扫描期间应用于衰减频谱的非线性回归中考虑的最低频率。
• Maximum frequency scanned: 扫描的最大频率： 在完整扫描期间应用于衰减谱的非线性回归中考虑的最高频率。
• Length Ascan (us): 长度Ascan（我们）： 定义我们中ascan的长度。当仅使用波形的第一部分时，它可用于加速计算。
• Minimum number of spectrum points:最小频谱点数： 定义计算适合衰减光谱的晶粒尺寸的最小点数。
• Sample width or diameter (mm):样品宽度或直径（mm）： 如果在热处理过程中使用膨胀计，则定义样品的宽度。
• Automatic Synchronisation ( ):自动同步（）： 定义是波形同步自动完成或手动完成。
• Manual synchronisation threshold (V):手动同步阈值（V）： 定义手动同步波形的阈值。
• Pitch Catch Configuration ( ) Pitch Catch配置（）： 激活波形的手动选通。
• Pitch Catch Configuration ( ) 延迟窗口间距捕获（我们）： 定义门的位置。
• Width Window Pitch Catch（我们）： 定义门的持续时间。
• Severity for confidence level: 置信水平的严重程度： 定义完整扫描期间光栅系统的严重性因子。
• Ratio Spectrum LowFreqBound (MHz): 比率频谱LowFreqBound（MHz）： 定义波形频谱上门的低频界限。
• Ratio Spectrum HighFreqBound(MHz): 比率频谱HighFreqBound（MHz）： 定义波形谱上门的高频界限。
• Fix sound velocity ( ): 修正声速（）： 此参数尚未激活。
• Constant velocity (mm/us): 恒速（mm / us）： 此参数尚未激活。
• Silencing generation bang (us): 沉默一代（我们）： 允许静音波形的初始部分。
• Wavefrom averaging： 此参数尚未激活

MATERIAL PROPERTIES: 材料特性：

• Density 密度（g / cm3）： 此参数定义材料的密度
• Young Modulus (GPa):年轻模数（GPa）： 该参数定义材料的杨氏模量
• Coef. Linear Expansion (C-1): 线性扩展（C-1）： 该参数定义材料的线性膨胀系数
• Temperature Depance of Velocity  速度温度范围..1e-4（C-1）： 此参数定义选择用户定义材料时速度随温度的变化率。

 

在分析过程中，每个激光超声测量都要提交一系列三个选择标准，1）信噪比，2）测量带宽3）拟合质量。 下图说明了所选测试的三个标准的演变。 对于每个标准，阈值被设置为接受或拒绝特定波形。 如果满足所有三个标准，则给予粒度参数b通过比较每个标准满足的阈值的距离而计算的置信度指数。 （有关此程序的详细信息，请参阅以下部分）。 为阈值限制选择的值对于本报告中显示的所有分析都是相同的，并在pdf报告中指出。

先验地，频率带宽的最小值和最大值的最佳值是未知的，并且强烈地取决于各种因素，例如温度，晶粒尺寸，并且可能受到表面条件的影响。 最终报告中包含的表格显示了进行分析的扫描总数。 最小频率范围为3.3至6.7 MHz，最大频率范围为8.3至35 MHz。 对于给定的最小频率值，设置最大频率的最小值，使得带宽至少是频率分辨率的3倍。

扫描完成后，对每个带宽测量的晶粒尺寸参数b进行编译，如图5所示的主图。晶粒尺寸参数的平均值以及标准偏差由每个获得的置信度指数加权。 扫描（图6）。 加入的pdf中提供了有关此过程的详细信息。

分析标准

通过处理在热处理循环期间测量的超声波形来计算参数b（粒度参数）。分析分为几个步骤。在每个步骤，根据5个标准接受或拒绝波形（表示测量特定治疗时间的信号）。测试序列验证i）所收集的光量是足够的，ii）信噪比是可接受的，iii）考虑到信噪比条件，所考虑的所选带宽，最小和最大频率被解析，iv）衰减光谱上的最小二乘拟合的质量（或标准误差）是可接受的，并且v）晶粒尺寸参数的测量落在所选晶粒尺寸校准的适用范围内。这些测试中的每一个都包含一个设置参数，用于调整每个测量数量的限制和阈值。针对每个标准引入了置信度指数。它旨在评估测量通过测试的成功程度。以下部分将详细介绍评估每个标准的置信度指数的详细信息。

 

波形同步

分析的第一步旨在使每个波形彼此精确同步。确定产生开始时的时间以评估激光噪声的水平（产生之前）。该标准基于阈值幅度的定义。生成爆炸的时间是信号幅度变得高于所选阈值幅度的时间。对于每个波形，阈值幅度的值不是先验已知的，并且取决于表面反射率和信号的整体质量，在样本之间略微变化。使用专用的预处理步骤来找到将成功同步最大数量波形的最佳阈值。

 

光收集

大多数传感器允许评估检测器中收集的光量。引入光收集标准以验证光量大于预定阈值。该信息还用于使用激光探针中收集的光量来标准化波形的幅度。此选项需要对PreTrigLength和DelayIntegration进行适当设置，并在所选目录中添加* .pwl文件。 （询问系统管理员）

 

信噪比和Fmax

在每次分析时评估信噪比。它是在发生爆炸之前测量的均方根（回波信号）与均方根（laserNoise）之比。估计在频域和时域中。在频域中测量的rms值确定用于计算粒度参数的最大解析频率。信噪比定义为\ Theta ^ {noise} _ {\ varphi}和最大频率解析F_max_true。

1. 在时域中（对于信噪比）：
   signal = rms（echo_current（t）），
   噪声= rms（噪声（t）），在生成之前进行测量
2. 在频域（对于F_max_true）：
   signal（f）= echo_current（f），
   噪声= rms（噪声（f））

 

衰减的优点适合

使用方差 – 协方差矩阵以与用于确定的方法类似的方式，使用软件Gnuplot中可用的算法来评估针对粒度参数（拟合参数）表达的标准误差\ Theta ^ {Fit} _ {\ varphi}。 线性最小二乘拟合问题中的标准误差*频域：att（f）= a + b * f ^ n。 *参数b_measured = b +/- delta_b（标准误差）。

 

错误估计

超声参数b（或晶粒尺寸参数）的测量精度使用钢，镍和钴的样品估算，并通过计算在室温下在样品中的相同位置进行的60次采集的测量值的分布。应用高斯分布来使用最小二乘拟合方法调整每种情况的相对标准偏差σ。由回归得到的标准偏差范围为0.020至0.028，表明在室温下衰减参数b的测量的不确定性至少为0.056（5.6％），置信区间为95％。此外，b取决于温度，并且与在高温下测量相关的不确定性由在具有恒定晶粒尺寸的样品中从高温冷却测量的一系列数据的相对平方误差确定。该分析得出的整体不确定性为10％。当应用于晶粒尺寸的测量时，激光超声波技术需要基于金相测量的晶粒尺寸构建校准。许多因素正在影响通过金相学确定平均晶粒尺寸的精度，如ASTM标准E112-12中所总结的，其包括所选择的放大率，适当描绘晶界的能力，考虑的晶粒数量，扫描的总样品面积和所选放大倍数允许的视场数以及所选样本的代表性和为测量选择的区域。根据平均晶粒尺寸的最佳估算的所有指导原则，并根据程序中的各种误差来源，本研究中获得的金相颗粒尺寸值的相对准确度确定为15％，即统计数据的10％和5％来自界定晶界的不确定性。最后，通过评估校准数据上的相对平方误差来估计由于将所提出的校准应用于参数b的任何新测量而导致的激光超声晶粒尺寸的不确定性。相对误差约为26％，即以±13％的相对精度测量激光超声波晶粒尺寸。

 

入门

将输入文件复制到LUMFILE目录中

在实验之后，必须将原始数据放入放置在主工作目录的LUMFILE子目录中的专用文件夹中。例如，如果工作目录是F：\ CTOME \ Data \，则必须在此工作目录的LUMFILE文件夹中创建一个新项目文件夹。例如，如果您当前正在使用钢材，请创建一个新文件夹并命名为Steel_3mm。这里板的厚度出现在目录的名称中。这使得进一步分析更加方便，但这不是强制性的。复制此新目录中的所有三个原始文件。它们总是在测试期间创建3个文件，即ascan文件，dt文件和d文件。然后，新目录应包含以下内容：

F：\ CTOME \ DATA \ LUMFILE \ Steel_3mm \ experience_01.ascan
F：\ CTOME \ DATA \ LUMFILE \ Steel_3mm \ experience.dt01
F：\ CTOME \ DATA \ LUMFILE \ Steel_3mm \ experience.d01

您可以根据需要创建任意数量的项目文件夹，并保存组织到LUMFILE文件夹中的所有数据。

 

将输入文件加载到LUMFILE软件中

启动LUMFILE软件
按文件/打开以打开文件导入向导。
选择存储LUMet + Gleeble数据的项目文件夹，然后按确定。
选择一个或多个文件。您也可以通过向右放大对话框窗口来选择参考文件。如果未选择任何参考文件，则需要从设置对话框中定义参考状态。
如果在LUMFILE中正确选择了要加载的文件，请按OK。

 

教程和一步一步

钢中奥氏体晶粒尺寸的评价

进行测试

• 步骤 1：通过将角度调整到90度的激光束，将样品安装在gleeble的钳口之间。
• 步骤2：测量具有小晶粒尺寸铁氧体的参考样品中的一系列波形。理想情况下，可以认为平均粒度小于5μm的样品对参考样品有益。参考样品必须具有与将测量奥氏体晶粒尺寸的样品相同的几何形状。好的是，一旦你有这个参考信号，它将适用于在具有相同几何形状的样品中进行的所有粒度测量。此外，参考的测量必须在与后续测试相同的气氛中进行;即真空或炉气将提供不同的参考信号。通常，在该参考样本中获取大约50个波形是有益的，以便进一步有益于后处理步骤中的一些波形平均优化。
• 步骤 3：通过在感兴趣的温度范围内分布最多600个波形来进行热处理循环。必须设法限制在相同位置产生的脉冲总数，以避免可能导致信噪比降低的大面积损坏。
• 步骤4：测试完成后，必须收集以下6个文件并将它们放入一个文件夹中，以便使用CTOME软件进行后期处理。 （参考信号：Ascan文件，DT文件和d0文件;当前信号：Ascan文件，DT文件和d0文件）参考文件是可选的

 

分析数据

对于该示例，使用在1018钢上进行的测试。它包括以100℃/ s的速率快速加热至1050℃的温度，然后在该温度下保持5分钟。在高温保持期间捕获激光超声波信号。

在测试结束时，用户必须收集三个不同的文件。必须从LUMet计算机复制ascan。从Gleeble计算机复制DT文件和D文件。

 

1. 启动软件LUMFILE并使用文件/打开菜单中的文件对话框加载当前文件。选择一个或多个ascan文件。最多可以同时加载10个ascan。如果需要，请选择参考文件。这是可选的。如果未选择参考文件，则从设置对话框中定义参考状态。
2. 文件加载完成后，从相应的组合框中选择方法粒度，然后选中完成扫描。指示样品和测试材料的厚度，然后选择所需的校准。如果您在LUMet测试期间测量了样品宽度的膨胀，请指出样品的初始宽度，并从相应的组合框中选择膨胀计而不是厚度auto
3. 定义此样本的参考状态。通常在钢中，通常认为在奥氏体形成结束时晶粒尺寸很小。因此，在T_0 = 900℃时，默认值为D_0 = 5 um。如果您选择了引用，则无需定义引用状态。只需指出参考波形编号。通常，参考文件是在室温下在具有小粒度的样品中获得的，并且具有用于检测器上的光收集的最佳条件。默认选择波形5。
4. 选择完整扫描的回波数。回声1或2通常工作正常。对于薄样本，最好使用数字2或3，因为生成的爆炸可能会影响波形中前几微秒的频率成分。
5. 提交扫描进行分析。结果将汇总到pdf文件中，所有过程数据将保存在特定文件夹中，项目名称将提供给完整扫描。

 

钢中奥氏体分解的测量

进行测试

• 步骤 1：通过将角度调整到90度的激光束，将样品安装在gleeble的钳口之间。
• 步骤 2：在处理的加热和冷却步骤期间通过分配约800个脉冲来进行热处理循环。
• 步骤 ：收集此测量的3个文件（ASCAN文件DT文件和D0文件）并将它们放入专用文件夹，以便使用CTOME软件的LUMFILE模块进行分析。

 

分析数据

以下程序逐步提供了如何使用LUMFILE软件从连续冷却过程中测量的一组波形评估奥氏体分解动力学的分步手册。对于这种类型的测试，必须在加热和冷却期间或仅在合金冷却期间监测流明信号。

1. 在测试结束时，用户必须收集三个不同的文件。必须从LUMet计算机复制ascan。从Gleeble计算机复制DT文件和D文件。必须将所有三个文件放入项目文件夹中，如4.3节所示。
2. 启动软件LUMFILE并使用文件/打开菜单中的文件对话框加载当前文件。选择一个或多个ascan文件。最多可同时加载10个ascan文件。
3. 文件加载完成后，从相应的组合框中选择方法Elastic Modulus，这将切换到单次扫描。指示样品和测试材料的厚度，然后选择所需的校准。如果您在LUMet测试期间测量了样品宽度的膨胀，请指出样品的初始宽度，并从相应的组合框中选择膨胀计而不是厚度auto
   选择单次扫描的回波数。回声1或2通常工作正常。对于薄样本，最好使用数字2或3，因为生成的爆炸可能会影响波形中前几微秒的频率成分。您也可以单击高级并选择第二个回波的位置。
4. 提交扫描进行分析。通过在主窗口中显示适当的combox中的速度，可以获得结果。
5. 计算完成后，您已经计算了加热和冷却时的整个速度曲线，从菜单Process> Fraction transformed（Velocity）打开计算窗口