HT250材料超聲探傷中的衰減性探究

董世運(yùn)，李浩宇，徐濱士，朱學(xué)耕

（裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072）

HT250材料超聲探傷中的衰減性探究

董世運(yùn)，李浩宇，徐濱士，朱學(xué)耕

（裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072）

HT250材料目前在很多行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，為探究其在超聲探傷中的衰減性，利用一組參數(shù)不同的直探頭測定HT250和45鋼的衰減系數(shù)。檢測結(jié)果表明：1）HT250衰減系數(shù)大于45鋼。2）探頭頻率和晶片尺寸均影響著衰減系數(shù)大小。開展模擬實(shí)驗(yàn)分析它們對衰減系數(shù)的影響，模擬結(jié)果表明：提高探頭頻率使衰減系數(shù)增大，頻率越高增幅越大；探頭晶片尺寸增大使衰減系數(shù)減小，且探頭晶片尺寸對衰減系數(shù)影響弱于頻率。

HT250；衰減系數(shù)；探頭頻率；晶片尺寸

0　引　言

HT250材料常被用于生產(chǎn)加工重載車輛發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋[1]、造紙機(jī)烘缸[2]等零件，其在鑄造和服役過程中可能出現(xiàn)缺陷。超聲檢測法具有快速、準(zhǔn)確、環(huán)保、成本低的優(yōu)點(diǎn)[3]，非常適合灰鑄鐵內(nèi)部缺陷的檢測。但超聲波在灰鑄鐵中傳播衰減的問題，已成為影響HT250材料超聲檢測效果的主要因素。在實(shí)際檢測中，HT250材料屬于超聲衰減較強(qiáng)的材料，往往需要經(jīng)驗(yàn)豐富的超聲檢測人員根據(jù)實(shí)際情況和檢測需求選擇合適的探頭和檢測方法，才能得到接近實(shí)際的結(jié)果。本文為探究HT250材料在超聲檢測中超聲衰減強(qiáng)的原因和其影響因素，對其超聲衰減系數(shù)進(jìn)行測定并通過模擬試驗(yàn)分析其變化規(guī)律。

1　HT250　超聲衰減系數(shù)測定

超聲衰減系數(shù)是表征在某種材料中傳播超聲波的衰減程度的量化參數(shù)，常表示為dB/mm，物理意義為單位長度內(nèi)衰減的分貝數(shù)。一般采用理論計(jì)算法和實(shí)際測定法可得到衰減系數(shù)。在超聲探傷理論中，一般只考慮探傷材料對衰減的影響，其衰減系數(shù)的理論計(jì)算公式[4]為

式中：α——理論衰減系數(shù)；

αa——粘滯衰減系數(shù)；

αs——散射衰減系數(shù)；

c1——常數(shù)；

f——聲波頻率；

c2——常數(shù)；

F——材料各向異性因數(shù)；

d——材料晶粒尺寸。

而實(shí)際測定法則使用探頭對厚度已知的材料進(jìn)行檢測，通過測定不同次底波的聲壓，計(jì)算得到材料的衰減系數(shù)，其計(jì)算公式[5]為

式中：α——計(jì)算衰減系數(shù)；

pm、pn——測得的第m次、n次底波分貝數(shù)；

h——材料厚度。

由于衰減系數(shù)的理論計(jì)算法的公式是在一些理想的假設(shè)條件[6]下提出，并且未考慮聲波的擴(kuò)散對衰減的影響，因此和工程實(shí)際檢測結(jié)果存在誤差[7]。而實(shí)際測定法利用測定底波分貝差除以聲程差，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且能客觀完整地體現(xiàn)衰減系數(shù)的物理意義，因而采取實(shí)際測定法來進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1試驗(yàn)儀器、探頭與試塊

超聲檢測儀采用愛德森公司與再制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制的EUT-101B型低頻超聲檢測儀，選用的探頭型號及其參數(shù)如表1所示。測試試塊為HT250材料和45鋼材料，兩試塊尺寸均為135mm×60mm× 35mm。

表1　試驗(yàn)探頭參數(shù)（聲速5300m/s下測得）

1.2試驗(yàn)方法

試塊檢測試驗(yàn)采用機(jī)油為耦合劑，依次將表1中的5個(gè)參數(shù)不同的直探頭分別置于HT250和45鋼試塊的2個(gè)測試面上（見圖1），測定60mm和135mm厚度的衰減系數(shù)。由于探頭頻率范圍為1～2.5MHz，為了獲得更全面的檢測效果，將檢測儀接收頻帶分別置于0.3～2MHz的一檔和2～4MHz的二檔進(jìn)行兩組試驗(yàn)。調(diào)節(jié)儀器初始增益使一次底波達(dá)到60%的波高，調(diào)節(jié)閘門獲取二次底波與一次底波的分貝差（p1-p2）（見圖2），并由已知的測試厚度h計(jì)算出實(shí)測衰減系數(shù)

圖1　試塊的不同測試厚度

圖2　二次底波與一次底波的分貝差

1.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

兩組試驗(yàn)所測得的分貝差和計(jì)算出的衰減系數(shù)如表2所示。

從表中可以看到在檢測儀兩個(gè)頻帶檔位所測出的兩組數(shù)據(jù)中，底波聲壓差及衰減系數(shù)稍有不同，但總體趨勢一致。首先，兩種材料在不同厚度下測出的衰減系數(shù)幾乎一致，說明衰減系數(shù)不隨材料的厚度變化而變化，符合實(shí)際情況。其次，在檢測條件相同的情況下，HT250材料的衰減系數(shù)均明顯大于45鋼材料的衰減系數(shù)，相對于45鋼表現(xiàn)出較強(qiáng)的衰減性。比較T2、T3、T4、T5組數(shù)據(jù)可看出其他條件相同的情況下，探頭頻率越高，測得的衰減系數(shù)越大，符合聲波衰減理論。此外T1與T2組數(shù)據(jù)對比顯示出晶片尺寸較小的探頭所測得衰減系數(shù)較大，因此推測晶片尺寸的大小影響著實(shí)測衰減系數(shù)。

表2　HT250與45鋼實(shí)測衰減系數(shù)

為探究HT250材料衰減性明顯強(qiáng)于45鋼材料的原因，分別制取兩種材料的金相試樣觀察其組織如圖3所示。

圖3　金相組織觀察圖

從圖中可以看出，HT250材料中有片層狀石墨散亂分布于珠光體基體組織中，周圍還有少量白色磷化物。片層狀石墨割裂了基體，并且導(dǎo)致聲波在基體組織中傳播遇到石墨產(chǎn)生散射，削弱了聲能，導(dǎo)致聲波衰減。此外，大量資料顯示，灰鑄鐵粗大晶粒的晶界也對聲波有一定的散射作用[8-9]。而在45鋼中組織基本為珠光體和鐵素體，結(jié)構(gòu)致密而且晶粒較HT250晶粒細(xì)小，不易發(fā)生內(nèi)部的散射，利于聲波的傳播[10]，因而45鋼所測得聲衰減系數(shù)較低。

2　模擬試驗(yàn)探究超聲衰減系數(shù)變化規(guī)律

為驗(yàn)證表2的結(jié)果和推測，尋找探頭頻率和晶片尺寸對衰減系數(shù)的影響規(guī)律，利用超聲模擬檢測軟件開展模擬試驗(yàn)。

2.1模擬試驗(yàn)方法

模擬試驗(yàn)采用CIVA11.0仿真檢測軟件。首先在CIVA軟件中設(shè)置模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)，包括試塊聲速、尺寸、耦合參數(shù)、探頭參數(shù)和材料衰減計(jì)算律等。

然后只改變探頭參數(shù)中的頻率和晶片尺寸中的一項(xiàng)，分別觀察其獨(dú)立變化對聲場的影響。為了觀察探頭頻率單獨(dú)變化對聲場的影響，設(shè)置探頭晶片尺寸為20mm，觀察探頭頻率從0.5MHz提高到2.5 MHz模擬出的聲場的變化；為了觀察探頭晶片尺寸單獨(dú)變化對聲場的影響，設(shè)置探頭頻率為1.5 MHz，觀察晶片尺寸從10 mm增大到30 mm模擬出的聲場的變化。

此外，為確定探頭頻率和晶片尺寸與實(shí)測衰減系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)實(shí)測衰減系數(shù)測定的原理進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分別模擬10，15，20，25，30mm 5種晶片尺寸下0.5，1，1.5，2，2.5MHz 5個(gè)頻率的探頭聲場分布，在25個(gè)聲場分布圖中逐一取相應(yīng)位置的聲壓值計(jì)算其衰減系數(shù)。模擬試驗(yàn)衰減系數(shù)計(jì)算公式：

式中：p1——假想1次底波聲壓值；

p2——假想2次底波聲壓值；

S——兩次底波的聲程差。

假想試塊厚度為60mm，取120mm深度的聲壓為p1，240mm深度的聲壓為p2。由于在實(shí)際檢測中擴(kuò)散的聲波對直探頭檢測特定位置的缺陷不利，探頭晶片投影區(qū)域下的聲波對其才有意義，且因聲束擴(kuò)散效果，同一深度下聲壓不同，因此取p1、p2均為有效平均聲壓：

聲程差S為假想試塊厚度的兩倍，S=120 mm，d為晶片直徑（見圖4）。

圖4　聲壓計(jì)算取點(diǎn)示意圖

2.2模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

1）晶片尺寸20mm，探頭頻率0.5～2.5MHz的探頭聲場圖組如圖5（a）～圖5（e）所示。

圖5　晶片尺寸20mm的不同頻率探頭聲場圖

從圖中的5組聲場圖看出，探頭的近場區(qū)（圖中藍(lán)色高亮區(qū)域）隨著探頭頻率提高逐步增加，且聲束隨著頻率的提高變得集中，說明頻率提高減弱了聲束擴(kuò)散，提高了有效檢測區(qū)域內(nèi)的聲能。

2）探頭頻率1.5MHz，晶片尺寸10~30 mm的探頭聲場圖組如圖6（a）～圖6（e）所示。

圖6　頻率1.5MHz探頭不同晶片尺寸聲場圖

從圖中的5組聲場圖看出，探頭近場區(qū)隨著晶片尺寸增加而明顯增大，聲束形狀也隨著探頭增大而變得集中，而由于聲束變粗，集中效果不如圖5的明顯，但從近場區(qū)以下部分仍然可以看到，晶片尺寸的增加確實(shí)讓聲束更加集中，減弱了聲能的擴(kuò)散。

3）從25個(gè)模擬聲場中依次取點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算得出模擬檢測60mm厚的HT250試塊，衰減系數(shù)α隨探頭頻率f和晶片尺寸d的變化趨勢如圖7所示。

圖7　模擬實(shí)測HT250衰減系數(shù)分布圖

從圖中看出，該模擬試驗(yàn)計(jì)算出的衰減系數(shù)總體趨勢是隨著探頭晶片尺寸增大而減小，隨著頻率增大而增大。對于60mm厚的試塊而言，衰減系數(shù)在2MHz以下隨頻率增加增長緩慢，以后則陡然增長，體現(xiàn)出隨頻率的提高顯著增大的特點(diǎn)，探頭晶片尺寸變化對衰減系數(shù)也有影響，體現(xiàn)為晶片尺寸增大使得衰減系數(shù)降低，但其變化幅度不如前者大。分析是由晶片尺寸的增大減小了擴(kuò)散角，使聲束更集中，探頭所能接收的反射回波更多，從而間接降低了衰減系數(shù)。

從降低衰減系數(shù)的角度選擇探頭，根據(jù)上述規(guī)律應(yīng)該選擇頻率低且晶片尺寸大的探頭，但是實(shí)際探傷中還需要考慮到探頭近場區(qū)的影響，在探頭的近場區(qū)聲波干涉情況復(fù)雜，聲壓出現(xiàn)波動(dòng)變化，因而在近場區(qū)范圍內(nèi)檢測缺陷會(huì)影響檢測效果。晶片尺寸增加會(huì)顯著增大探頭近場長度，且考慮到探頭制造和檢測可達(dá)性原因，晶片尺寸不可能非常大，此外過低的頻率也會(huì)造成小缺陷的漏檢。因此，在選擇檢測探頭時(shí)，應(yīng)綜合考慮以上多方面因素，如對100 mm厚度以下的HT250的氣孔、裂紋等缺陷檢測，探頭頻率選擇為1.5，2MHz較為合適，晶片直徑則選15，20mm為佳。

3　結(jié)束語

1）HT250的實(shí)測衰減系數(shù)是45鋼的2~5倍，其超聲波衰減性明顯強(qiáng)于45鋼，可能是由于其內(nèi)部的層狀石墨組織和粗大晶粒的晶界對聲波有著不同程度的散射作用導(dǎo)致。

2）探頭的頻率和晶片尺寸對實(shí)測衰減系數(shù)都有影響，其規(guī)律是隨著頻率的提高衰減系數(shù)顯著增大，且頻率越高，衰減系數(shù)的增幅越大；隨著晶片尺寸的增大，衰減系數(shù)平緩減小，且晶片尺寸對衰減系數(shù)的影響弱于頻率。

3）根據(jù)實(shí)際探傷中需要考慮到近場區(qū)和檢測精度，結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的衰減性規(guī)律，本文認(rèn)為頻率為1.5，2MHz，晶片直徑為15，20mm的探頭適合檢測100mm以下厚度的HT250材料。

[1]曾大本，唐靖林.灰鑄鐵研究和生產(chǎn)的新進(jìn)展與展望[J].現(xiàn)代鑄鐵，2005，33（1）：33-40.

[2]韓樹新，余兵，盛水平，等.鑄鐵烘缸的超聲波檢測[J].無損檢測，2008，30（9）：640-642.

[3]沈功田，李麗菲，王珊珊，等.鑄鐵設(shè)備無損檢測技術(shù)進(jìn)展[J].無損檢測，2011，33（1）：62-68.

[4]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京：水利電力出版社，1985：125-132.

[5]王炳方，韓贊東，朱新杰，等.厚壁焊縫中超聲傳播特性研究及檢測條件選擇[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50（11）：1789-1792.

[6]林莉，李喜孟，張俊善.40Cr鋼顯微組織與超聲波衰減系數(shù)相關(guān)性研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（6）：718-720.

[7]AGHAIE-KHAFRI M，HONARVAR F，ZANGANEH S. Characterization of grain size and yield strength in AISI 301 stainless steel using ultrasonic attenuation measurements[J].Journal of Nondestructive Evaluation，2012，31（3）：191-196.

[8]ARAVINDV，BALACHANDRANG，KAMARAJM. Structure and property studies on austempered and ascast ausferritic gray cast irons[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2010，19（7）：976-983.

[9]NICOLETTI D，KASPER D.Ultrasonic attenuation based on the roney generalized theory and multiple power-law grain-sizedistributions[J].IEEETransactions on Ferro electrics Ultrasonics and Frequency Control，1994，41（1）：144-148.

[10]BONGYOUNG A，SEUNG S L.Effect of microstructure of low carbon steels on ultrasonic attenuation[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control，2000，47（3）：620-628.

（編輯：李妮）

Exploration of HT250 material’s attenuation property in ultrasonic flaw inspection

DONG Shiyun，LI Haoyu，XU Binshi，ZHU Xuegeng
（State Key Lab.of Remanufacture，Armored Force Engineering Institute，Beijing 100072，China）

HT250 materials have been extensively applied in many industries lately.To explore their attenuation property in ultrasonic flaw detection，a group of normal probes with different parameters are used to measure the attenuation coefficient of HT250 and steel 45#.The testing results indicate：1）attenuation coefficients of HT250 are greater than those of steel 45#；2）the attenuationcoefficientsareimpactedbyprobefrequencyandwafersize.Theirinfluenceon attenuationcoefficientisanalyzedthroughsimulationtests.Simulationresultsshowthatthe attenuationcoefficientincreasesasprobefrequencyincreasesbutreducesasthewafersize enlarges，and the wafer size has smaller effect on the attenuation coefficient than the probe frequency does.

HT250；attenuation coefficient；probe frequency；wafer size

A

1674-5124（2016）03-0123-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.028

2015-03-21；

2015-04-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50975287）國家973計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB013405）

董世運(yùn)（1973-），男，山東曹縣人，副研究員，博士，主要從事無損檢測與評估、再制造技術(shù)與質(zhì)量控制等方面的研究。