TMCP鋼各向異性對(duì)超聲波折射角的影響

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

TMCP (Thermo Mechanical Control Process)稱為熱軋制工藝，其是將軋制控制和冷卻控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在盡量減少合金元素添加的情況下，通過(guò)加快軋制后的冷卻速度，使鋼材晶粒細(xì)化，得到高強(qiáng)度和高沖擊韌性的下貝氏體組織。TMCP工藝實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化和細(xì)晶強(qiáng)化，從而使TMCP鋼具有良好的綜合機(jī)械性能。

TMCP 工藝在不添加過(guò)多合金元素，也不需要復(fù)雜的后續(xù)熱處理的條件下,能產(chǎn)出高強(qiáng)度高韌性的鋼材，被認(rèn)為是一項(xiàng)節(jié)約合金及能源的工藝；TMCP 工藝產(chǎn)出的鋼材碳當(dāng)量一般小于0.4%，具有良好的焊接性，可使鋼材在不預(yù)熱且不熱處理的情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接。碳當(dāng)量低還可以降低焊接熱影響區(qū)的硬度，不容易形成因顯微偏析而產(chǎn)生的局部硬化相，容易保證焊接部位的韌性；同時(shí)TMCP鋼具有良好的抗層間撕裂能力和一定的耐腐蝕性能。正因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)， TMCP鋼的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)TMCP鋼的無(wú)損檢測(cè)也越來(lái)越重要。由于TMCP鋼在軋制過(guò)程中，鋼板晶粒在軋制方向上呈長(zhǎng)條狀，從而導(dǎo)致TMCP鋼呈各向異性，也使得超聲波沿鋼板軋制方向和垂直軋制方向的聲速和折射角不同。故，研究各種角度的超聲波橫波斜探頭在TMCP鋼不同方向上的折射角變化的規(guī)律，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 TMCP鋼折射角差異的原因分析

根據(jù)超聲波斜入射到異質(zhì)界面的折射定律，人們會(huì)自然地想到，TMCP鋼在不同方向上的折射角差異可能是由聲速差異導(dǎo)致的。然而，筆者通過(guò)查閱文獻(xiàn)以及進(jìn)行實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，折射角的差異遠(yuǎn)比依據(jù)普通碳鋼橫波聲速計(jì)算出來(lái)的差異大得多，于是筆者嘗試從TMCP鋼的內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)方面去考慮此問(wèn)題。

TMCP鋼的內(nèi)部晶粒主要是超細(xì)鐵素體組織、貝氏體組織以及少量馬氏體組織,其在電子顯微鏡下的形態(tài)如圖1所示。晶粒的空間形態(tài)呈雙凸透鏡狀，長(zhǎng)度方向呈針狀或竹葉狀，針與針之間有一定角度。超聲波在這樣的組織結(jié)構(gòu)中傳播，當(dāng)波束穿過(guò)每一個(gè)晶粒時(shí)，方向都會(huì)產(chǎn)生微小的偏折,波束穿過(guò)晶界也會(huì)產(chǎn)生偏折，這些微小的偏折經(jīng)過(guò)疊加，宏觀上就表現(xiàn)為折射角數(shù)值的較大差別。

圖1 TMCP鋼的內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)在電子顯微鏡下的形態(tài)

圖2為超聲波穿過(guò)TMCP鋼晶粒的模擬放大圖。其在扁平方向受壓縮應(yīng)力，聲速加快；在延伸方向受拉伸應(yīng)力，聲速減慢。根據(jù)折射定律，當(dāng)超聲波平行于軋制方向入射時(shí)，折射角變大；當(dāng)超聲波垂直于軋制方向入射時(shí)，折射角變小。

圖2 超聲波穿過(guò)TMCP鋼晶粒的模擬放大圖

另外，聲束以不同的角度進(jìn)入晶粒時(shí)，聲束在晶粒中的聲程不同。聲束與晶界的夾角越小(即探頭角度越大)，聲束穿過(guò)晶粒后的偏折程度越大。因此，大角度探頭在TMCP鋼中的折射角差值要比小角度探頭大。類似地，厚度越大的TMCP鋼折射角的數(shù)值越大。

2 TMCP鋼橫波折射角的測(cè)量方法

2.1 測(cè)定水平距離

在進(jìn)行TMCP鋼焊接接頭的超聲波檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)板材的厚度T，應(yīng)先找兩個(gè)規(guī)格相同，標(biāo)稱角度相同的斜探頭，測(cè)定兩個(gè)探頭的前沿(L1，L2)；使兩探頭在兩個(gè)方向(平行和垂直軋制方向)上分別做一發(fā)一收測(cè)試(見圖3)，找到一次反射波的最高波，探頭不動(dòng)，記錄兩探頭之間的水平距離L。

圖3 超聲波發(fā)射-接收聲束路線

2.2 計(jì)算TMCP鋼中探頭橫波折射角

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 儀器和探頭準(zhǔn)備

試驗(yàn)使用的儀器為Olympus EPOCH 600,儀器編號(hào)為130557607,分別采用不同標(biāo)稱參數(shù)的6組探頭進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在IIW試塊上測(cè)得探頭在碳鋼上的前沿與折射角，如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用探頭的基本參數(shù)

3.2 試塊準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用試塊為專門制作的L型試塊，如圖4所示。試塊由相互垂直的兩部分構(gòu)成，其中一個(gè)方向?yàn)檐堉品较?另一個(gè)方向?yàn)榇怪避堉品较?。選用厚度分別為30，40，50 mm的3種試塊進(jìn)行試驗(yàn)，3種試塊的規(guī)格如表2所示。

圖4 TMCP試塊設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖

3.3 掃查架準(zhǔn)備

利用雙探頭法測(cè)量橫波折射角的方法有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，就是要讓發(fā)射探頭與接收探頭處在同一條直線上，以保證發(fā)射聲束能夠被接收探頭接收。為了達(dá)到這個(gè)目的，筆者制作了掃查架(見圖5)。掃查架由不銹鋼焊接而成，兩根不銹鋼之間的空隙是根據(jù)探頭的尺寸留出來(lái)的，這樣探頭在其之間只能前后移動(dòng)，而不會(huì)左右擺動(dòng)。

圖5 探頭掃查架外觀

4 實(shí)測(cè)折射角與數(shù)據(jù)處理

選用表1中的探頭對(duì)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，將掃查架放在試塊的垂直軋制方向上，試驗(yàn)時(shí)先固定其中一個(gè)探頭，然后一邊前后移動(dòng)另一個(gè)探頭，一邊觀察儀器屏幕的反射波信號(hào)，直到找到最高波時(shí)停止移動(dòng)，測(cè)出此時(shí)兩探頭之間的水平距離L并記錄。為了減小隨機(jī)誤差，每一個(gè)L值要做3次試驗(yàn)后取其平均值。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

類似地，將掃查架放在試塊的平行軋制方向上進(jìn)行試驗(yàn)，可得到相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

這樣，采用不同角度、不同規(guī)格尺寸的探頭在不同厚度試塊上的兩個(gè)互相垂直的方向依次進(jìn)行上述操作，總共進(jìn)行108次測(cè)量，得到36組數(shù)據(jù)，如表3～5所示。

表3 兩種規(guī)格的45°探頭測(cè)試TMCP鋼中兩個(gè)方向的折射角

表4 兩種規(guī)格的60°探頭測(cè)試TMCP鋼中兩個(gè)方向的折射角

表5 兩種規(guī)格的70°探頭測(cè)試TMCP鋼中兩個(gè)方向的折射角

為了直觀地得到這些數(shù)據(jù)的規(guī)律，根據(jù)上述3個(gè)表格制作了折線圖,如圖7,8所示(圖中t表示垂直軋制方向，l表示水平軋制方向)。

圖7 5Z10*10探頭的三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖8 2.5Z15*15探頭的三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)比圖7,8可以看出，兩圖對(duì)應(yīng)的6條折線在圖中所處的位置、偏離0°(折射角差值)線的程度以及折線隨著試塊厚度的變化趨勢(shì)基本相同。說(shuō)明在對(duì)TMCP鋼進(jìn)行橫波檢測(cè)時(shí)，選用的探頭頻率和晶片尺寸對(duì)橫波折射角的影響不大，在接下來(lái)的分析中基本可以忽略探頭規(guī)格所造成的影響。

為此，選取圖7作為分析對(duì)象?？梢钥吹剑瑹o(wú)論是45°，60°還是70°探頭測(cè)得的數(shù)據(jù)，平行軋制方向得到的數(shù)據(jù)折線分布在0°線上方，垂直軋制方向得到的數(shù)據(jù)折線分布在0°線下方。其中，45°探頭得到的兩條折線分布在0°線附近0°～0.5°范圍內(nèi)，偏離0°線的程度很??；60°探頭得到的兩條折線分布在0°線附近1°～2°之間的范圍；70°探頭得到的兩條折線分布在0°線附近2°～3°的范圍。另外，6條折線隨著試塊厚度的增加，偏離0°線的程度呈現(xiàn)越來(lái)越大的趨勢(shì)，說(shuō)明TMCP鋼材厚度對(duì)橫波折射角也有影響。

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了使用超聲波檢測(cè)TMCP鋼時(shí)，折射角隨方向和厚度的變化規(guī)律。在對(duì)TMCP鋼進(jìn)行橫波檢測(cè)時(shí)，所選用的探頭頻率和晶片尺寸對(duì)橫波折射角的影響不大，但一般推薦使用相同規(guī)格的橫波斜探頭；在平行軋制方向上，TMCP鋼實(shí)測(cè)折射角比普通碳鋼的折射角大；在垂直軋制方向上，TMCP鋼實(shí)測(cè)折射角比普通碳鋼的折射角小。采用45°探頭進(jìn)行檢測(cè)，TMCP鋼與普通碳鋼在折射角上的差異很小;用60°探頭檢測(cè)時(shí)，平行軋制方向上TMCP鋼的折射角比碳鋼的大1°～2°, 垂直軋制

方向上TMCP鋼的折射角比碳鋼小1°～2°；用70°探頭檢測(cè)時(shí)，平行軋制方向上TMCP鋼的折射角比碳鋼大2°～3°, 垂直軋制方向上TMCP鋼的折射角比碳鋼小2°～3°。TMCP鋼材的厚度越大，橫波折射角與普通碳鋼的折射角差值就越大。

試驗(yàn)結(jié)果為TMCP鋼橫波檢測(cè)中最關(guān)鍵的步驟之一——折射角的修正提供了方法和數(shù)值參考，可以指導(dǎo)檢測(cè)人員正確進(jìn)行TMCP鋼折射角的修正。