鋼中非金屬夾雜物對(duì)時(shí)頻域超聲參量的影響

肖會(huì)芳，陳丹，徐金梧

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鋼中非金屬夾雜物對(duì)時(shí)頻域超聲參量的影響

肖會(huì)芳1，陳丹2，徐金梧2

(1. 北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京，100083； 2. 北京科技大學(xué) 鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京，100083)

通過(guò)建立包含夾雜物的二維金屬板超聲測(cè)量數(shù)值分析模型，研究超聲信號(hào)隨夾雜物的深度、厚度和類型等屬性特征的變化規(guī)律，并通過(guò)超聲顯微鏡和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性。研究結(jié)果表明：縱波聲速隨夾雜物厚度的增加呈線性遞增，含有Al2O3夾雜物的聲速最大且增速最快，含有MnS夾雜物的聲速最小且增速最慢，縱波聲速可以作為判定內(nèi)部是否存在夾雜物的參量；不同超聲參量隨入射波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線，可用于判定夾雜物的厚度；當(dāng)夾雜物深度位于鋼板厚度的中間時(shí)，衰減系數(shù)最大，且含有MnS夾雜物引起的聲波幅值衰減最嚴(yán)重，含有TiN夾雜物的聲波幅值衰減最小。

非金屬夾雜物；超聲參量；數(shù)值仿真；多值域；影響特性

鋼中非金屬夾雜物的存在破壞了材料的連續(xù)性，嚴(yán)重影響鋼的加工性能，降低了鋼的承載能力和疲勞壽命。對(duì)鋼中夾雜物特征包括位置、尺寸、類型等的準(zhǔn)確檢測(cè)不僅能夠反映鋼的冶煉工藝，而且能為夾雜物的有效控制提供基礎(chǔ)[1?7]。超聲無(wú)損檢測(cè)方法由于對(duì)樣品沒有破壞性，能夠?qū)崿F(xiàn)夾雜物的空間定位，同時(shí)能有效避免大型夾雜物的漏檢，目前已被廣泛應(yīng)用于材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)[8?12]。要實(shí)現(xiàn)鋼內(nèi)部夾雜物的超聲檢測(cè)，最關(guān)鍵的問題是如何通過(guò)測(cè)量獲得的回波信號(hào)或超聲掃描圖像辨識(shí)夾雜物的屬性特征。但是，直接的超聲回波信號(hào)只能較為準(zhǔn)確地判斷材料內(nèi)部缺陷位置信息，而對(duì)夾雜物的類型難以確定，因而，明確夾雜物的類型、尺寸和深度等屬性特征對(duì)超聲測(cè)量信號(hào)的影響規(guī)律，對(duì)超聲方法檢測(cè)材料內(nèi)部夾雜物具有重要的理論與實(shí)際意義。本文作者通過(guò)建立包含夾雜物的二維金屬板超聲測(cè)量模型，采用有限元數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)具有不同深度、不同厚度、不同類型夾雜物的材料內(nèi)部超聲波場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，獲得不同深度、不同厚度、不同類型夾雜物的回波信號(hào)，并分別計(jì)算其缺陷回波信號(hào)和底面回波信號(hào)的4個(gè)時(shí)域特征參量和2個(gè)頻域特征參量，獲得不同類型夾雜物的多值域超聲參量隨夾雜物厚度和深度的變化規(guī)律，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為非金屬夾雜物的超聲檢測(cè)提供參考。

1 含夾雜物的二維金屬板模型

1.1 模型描述

研究?jī)?nèi)部夾雜物對(duì)超聲參量影響規(guī)律的二維金屬板超聲測(cè)量模型示意圖，如圖1所示。超聲檢測(cè)采用水浸縱波脈沖回波法，即采用水作為耦合介質(zhì)傳遞超聲波，且僅有1個(gè)換能器同時(shí)激發(fā)和接收超聲波信號(hào)。二維矩形金屬板的厚度為，厚度為、深度為的夾雜物位于金屬板內(nèi)部。壓電晶片半徑為，幾何焦距為的聚焦換能器產(chǎn)生的超聲波垂直入射，經(jīng)過(guò)耦合介質(zhì)水傳播至材料內(nèi)部，并在水?鋼界面發(fā)生折射在材料內(nèi)部二次聚焦，聚焦深度為。通過(guò)調(diào)整水程厚度w，保證換能器在材料內(nèi)部的焦點(diǎn)位于夾雜物上表面，以獲得最大的橫向分辨率和聲壓強(qiáng)度，即=。

圖1 含夾雜物的二維金屬板超聲測(cè)量模型示意圖

由于夾雜物的存在改變了金屬板內(nèi)超聲波的傳播特性，引起了缺陷反射回波和底面發(fā)射回波超聲特征參量的變化，因而，回波的超聲參量反映了夾雜物的特性信息。本文選取3種典型的夾雜物即塑性?shī)A雜物MnS、脆性?shī)A雜物Al2O3和高硬度夾雜物TiN進(jìn)行分析。由于軋制過(guò)程中不同類型夾雜物的變形程度和形狀不同，塑性?shī)A雜物經(jīng)軋制后通常為扁平的條狀或片狀、脆性?shī)A雜物經(jīng)軋制后一般為球狀或鏈狀、而高硬度夾雜物在軋制前后的形狀不變，通常為立方體，因此，假設(shè)3種典型夾雜物的形狀分別為橢圓形、球形和菱形[13]。不同類型夾雜物的材料參數(shù)和聲參數(shù)如表1所示。對(duì)3種類型的夾雜物分別建立包含不同厚度和不同深度夾雜物的二維金屬板超聲測(cè)量模型，采用有限元方法，計(jì)算獲得金屬板上表面的反射回波曲線，并分別對(duì)缺陷回波和底面回波進(jìn)行超聲特征參量提取，獲得超聲特征參量隨夾雜物厚度和深度的變化規(guī)律。計(jì)算中，鋼板的厚度=1.5 mm。

表1 不同介質(zhì)的材料參數(shù)與聲參數(shù)

采用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL求解超聲波場(chǎng)，并計(jì)算獲得回波曲線。換能器的激勵(lì)載荷是中心頻率c=50 MHz，時(shí)間Δ=60 ns的壓力載荷，如圖2所示。其在鋼中的縱波波長(zhǎng)=0.12 mm。網(wǎng)格尺寸為/60，時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 ns。金屬板的左右設(shè)置吸收邊界，以消除計(jì)算模型寬度有限引入的邊界反射效應(yīng)對(duì)內(nèi)部超聲波場(chǎng)的影響[14?15]。計(jì)算時(shí)間=1.9 μs，保證金屬板上表面的回波信號(hào)中能夠包含二次底面回波。

1.2 有限元計(jì)算方法有效性驗(yàn)證

采用有限元方法計(jì)算無(wú)夾雜物缺陷時(shí)的金屬板內(nèi)部聲場(chǎng)分布，并與理論模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文有限元模型的準(zhǔn)確性。仿真計(jì)算獲得的中心頻率為50 MHz換能器在水?鋼兩相介質(zhì)中的瞬態(tài)聲場(chǎng)分布，如圖3(a)所示。從圖3(a)可知：在鋼中傳播的聲波在焦點(diǎn)位置(=0.75 mm)處匯聚，而被水?鋼界面反射的聲波以近似平面波的方式反向傳播。提取焦平面處的徑向聲壓分布，并與多元高斯聲束模型(MGB)計(jì)算的徑向聲壓分布對(duì)比，結(jié)果如圖3(b)所示。其中，多元高斯聲束模型的徑向聲壓分布表達(dá)式為[16?17]

(a) 時(shí)域；(b) 頻域

式中：12為水?鋼界面的透射系數(shù)，12=2/[1+(1/2)(1/2p)]，1為水的密度，1為水中聲速，2為鋼的密度，2p為鋼中的縱波聲速；0為換能器表面的速度；f為焦平面所在位置且fwp1；r為瑞利距離且r=12/2，11為水中的波數(shù)，12p為鋼中的波數(shù)；B=B+iD/F為聚焦換能器的高斯聲束系數(shù)，A和B分別為Wen和Breazeale系數(shù)[18]。從圖3(b)可知：有限元計(jì)算獲得的焦平面處徑向聲壓分布與多元高斯聲束模型得到的徑向聲壓分布基本完全一致，說(shuō)明了本文有限元方法的有效性。

(a) 水?鋼兩相介質(zhì)中的瞬態(tài)聲場(chǎng)分布；(b) 有限元計(jì)算

2 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)含有不同厚度和不同深度夾雜物的反射回波，分別提取4個(gè)時(shí)域超聲特征參量和4個(gè)頻域特征超聲參量，分析超聲參量隨夾雜物厚度和夾雜物深度的變化規(guī)律。由于2次回波的波形更為復(fù)雜，因此，主要采用1次回波進(jìn)行超聲特征參量計(jì)算。時(shí)域超聲參量包括：縱波聲速p、衰減系數(shù)、1次缺陷回波正峰值d和1次底面回波正峰值b。其中，縱波聲速p的表達(dá)式為

其中：為金屬板厚度；1為界面波的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；2為1次底面回波的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間。衰減系數(shù)的表達(dá)式為[19]

其中：1為1次底面回波的正峰值；2為二次底面回波的正峰值。衰減系數(shù)越小，說(shuō)明衰減越嚴(yán)重。缺陷回波正峰值d表達(dá)式為

其中：echo為1次缺陷回波。底面回波正峰值b表達(dá)式為

其中：echo為1次底面回波。

頻域超聲特征參量包括：一次底面回波峰值頻率p和一次底面回波?6 dB頻譜帶寬b。其中，回波信號(hào)的峰值頻率P為幅頻曲線最大幅值處對(duì)應(yīng)的頻率，回波信號(hào)?6 dB頻譜帶寬b為幅頻曲線最大幅值50%處的橫線與頻譜曲線2個(gè)交點(diǎn)之間的頻率差。

2.1 不同厚度夾雜物的超聲參量特性

保持夾雜物的深度=0.75 mm不變，改變夾雜物的厚度為0.05，0.08，0.11，0.14，0.17，0.20和0.23 mm，計(jì)算獲得材料上表面反射回波并分別提取時(shí)域和頻域超聲參量。=0.05 mm和=0.17 mm的3種不同類型夾雜物，材料上表面接收到的反射回波信號(hào)，如圖4所示。從圖4可知：在界面波和一次底面回波之間、一次底面回波和二次底面回波之間，可以觀察到明顯的缺陷回波。二次缺陷回波和二次底面回波的幅值明顯低于一次缺陷回波和一次底面回波幅值，且時(shí)間展寬增大，表明經(jīng)過(guò)多次反射后，超聲波發(fā)生了衰減和散射。從圖4還可知：不同厚度的同類夾雜物，其缺陷回波和底面回波的幅值、波形均有所差異。

對(duì)3種類型夾雜物，計(jì)算獲得的時(shí)域超聲參量隨夾雜物尺寸的變化關(guān)系曲線，如圖5所示。其中，橫坐標(biāo)為夾雜物尺寸，定義為夾雜物厚度與波長(zhǎng)的比值。圖5(a)中，含夾雜物鋼材的理論聲速計(jì)算公式為

其中：i為夾雜物中的縱波聲速，如表1所示。從圖5(a)可知：仿真計(jì)算獲得的聲速與理論計(jì)算結(jié)果基本完全一致，仿真結(jié)果稍大于理論值。這是由于式(6)的理論聲速假設(shè)波遇到夾雜物時(shí)的傳播路徑為直線，而實(shí)際超聲波遇到夾雜物時(shí)會(huì)繞射，傳播路徑為曲線，引起聲速增大。

從圖5(a)可知：不同類型夾雜物，縱波聲速均隨著夾雜物尺寸呈線性遞增，夾雜物尺寸相同時(shí)，含有MnS夾雜物的聲速最小，含有Al2O3夾雜物的聲速最大。從表1可知：夾雜物的聲速均大于鋼基體的聲速，且有p(Al2O3)＞p(TiN)＞p(MnS)，因此，當(dāng)鋼內(nèi)部含有夾雜物時(shí)，通過(guò)超聲回波計(jì)算的聲速大于純鋼基體的聲速且聲速隨著夾雜物尺寸增大而遞增，含有Al2O3夾雜物的增速最快。因此，對(duì)于夾雜物的超聲檢測(cè)而言，當(dāng)檢測(cè)回波的縱波聲速大于鋼基體聲速時(shí)，可以作為判定內(nèi)部是否存在夾雜物的參考參量。

(a) D=0.05 mm；(b) D=0.17 mm

從圖5(b)可知：當(dāng)鋼內(nèi)含有MnS夾雜物時(shí)，衰減系數(shù)最小，引起的超聲衰減量最大；TiN夾雜物的衰減系數(shù)最大，引起的超聲衰減量最小。同時(shí)，不同類型夾雜物，衰減系數(shù)隨夾雜物尺寸均呈先增大后減小的變化規(guī)律，存在最大值。對(duì)Al2O3和TiN夾雜物，最大衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)的夾雜物尺寸/分別為1.42和1.66，即夾雜物厚度與聲波波長(zhǎng)的比值約為1.5。對(duì)MnS夾雜物，最大衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)的夾雜物尺寸/=3.33，遠(yuǎn)比Al2O3夾雜物和TiN夾雜物的大。

從圖5(c)可知：不同類型夾雜物的缺陷回波正峰值隨夾雜物尺寸均呈先減小后增大的變化規(guī)律，存在最小值，最小值對(duì)應(yīng)的夾雜物尺寸/約為1，即當(dāng)夾雜物厚度等于入射聲波的波長(zhǎng)時(shí)，缺陷反射回波的幅值最小；當(dāng)夾雜物厚度等于入射聲波的波長(zhǎng)時(shí)，超聲波的繞射現(xiàn)象最嚴(yán)重，反射能力最弱，引起缺陷反射回波幅值最小。對(duì)不同類型的夾雜物，MnS夾雜物的聲阻抗與鋼基體聲阻抗差異最大，TiN夾雜物的聲阻抗與鋼基體的聲阻抗差異最小，因而，MnS夾雜物的缺陷反射回波幅值最大，TiN夾雜物最小。從圖5(d)可知：不同類型夾雜物，底面回波的正峰值隨夾雜物尺寸增加遞增，含TiN夾雜物的底面反射回波幅值最大，含MnS夾雜物的反射回波幅值最小。

對(duì)圖4(a)所示=0.05 mm的不同類型夾雜物反射回波信號(hào)中的一次缺陷回波和一次底面回波進(jìn)行快速傅里葉變換后的頻域曲線，如圖6所示。從圖6可知：對(duì)中心頻率為50 MHz、頻率范圍在20~80 MHz的入射超聲波，缺陷回波和底面回波的頻率范圍均為20~80 MHz，缺陷回波的峰值頻率大于50 MHz，底面回波的峰值頻率小于50 MHz。

對(duì)3種類型的夾雜物，分別對(duì)不同尺寸夾雜物底面回波的幅頻曲線進(jìn)行頻域超聲參量計(jì)算，獲得的頻域超聲參量隨夾雜物尺寸的變化關(guān)系曲線如圖7所示。圖7(a)和7(b)所示的底面回波峰值頻率、底面回波帶寬隨夾雜物尺寸增加均呈先增大后減小的變化規(guī)律，存在最大值；最大值對(duì)應(yīng)的夾雜物尺寸/分別為1.15和0.90，即當(dāng)夾雜物厚度約等于入射聲波的波長(zhǎng)時(shí)，底面反射回波的峰值頻率和帶寬均最大；對(duì)3種不同類型夾雜物，TiN夾雜物的峰值頻率和帶寬最大，MnS夾雜物最小，表明MnS夾雜物對(duì)入射聲波中心頻率和帶寬范圍頻率成分衰減最顯著。

上述時(shí)域和頻域超聲參量隨夾雜物尺寸的計(jì)算結(jié)果顯示：底面回波峰值、底面回波峰值頻率和帶寬均在夾雜物尺寸約為1時(shí)出現(xiàn)極值，即當(dāng)夾雜物厚度與入射聲波波長(zhǎng)相等時(shí)，超聲參量出現(xiàn)極值。該特性可以為超聲準(zhǔn)確測(cè)定夾雜物厚度提供基礎(chǔ)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，可以采用不同中心頻率的探頭測(cè)量獲取多個(gè)回波曲線，繪制不同的超聲參量隨入射波長(zhǎng)的變化曲線，曲線的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為夾雜物的厚度。

(a) 縱波聲速；(b) 衰減系數(shù)；(c) 缺陷回波正峰值；(d) 底面回波正峰值

(a) 1次缺陷回波；(b) 1次底面回波

(a) 底面回波峰值頻率；(b) 底面回波?6 dB帶寬

2.2 不同深度夾雜物的超聲參量特性

保持夾雜物的厚度=0.10 mm不變，改變夾雜物深度為0.45，0.55，0.65，0.75，0.85和0.95 mm，計(jì)算獲得金屬板上表面反射回波并分別提取時(shí)域和頻域超聲參量。對(duì)于深度=0.45 mm和=0.75 mm的3種不同類型夾雜物，金屬板上表面接收到的反射回波信號(hào)如圖8所示。從圖8可知：當(dāng)夾雜物深度變化時(shí)，缺陷回波到達(dá)的時(shí)間不同。根據(jù)缺陷回波與界面波的時(shí)間間隔，可以計(jì)算缺陷的深度位置。

對(duì)3種類型的夾雜物計(jì)算獲得的時(shí)域超聲參量隨夾雜物深度的變化關(guān)系曲線，如圖9所示。其中，橫坐標(biāo)為夾雜物深度與鋼板厚度的比值。從圖9(a)可知：夾雜物深度變化時(shí)，縱波聲速保持不變。從圖9(b)可知：衰減系數(shù)隨夾雜物深度變化呈先減小再增大的變化規(guī)律，最小值出現(xiàn)在/=0.5，即當(dāng)夾雜物位于板厚的中間時(shí)，衰減系數(shù)最小，衰減最嚴(yán)重；隨著夾雜物深度向上和向下偏離中心厚度，衰減系數(shù)逐漸增大，與圖5(b)所示結(jié)果一致，含TiN夾雜物時(shí)的衰減系數(shù)最大，含MnS夾雜物時(shí)的衰減系數(shù)最小，即MnS夾雜物引起的聲波幅值衰減最嚴(yán)重。從圖9(c)和9(d)可知：缺陷回波正峰值和底面回波正峰值均隨夾雜物深度的增加遞增，MnS夾雜物的缺陷回波幅值最大，而底面回波幅值最小，TiN夾雜物的缺陷回波幅值最小，而底面回波幅值最大。

(a) h=0.45 mm；(b) h=0.75 mm

(a) 縱波聲速；(b) 衰減系數(shù)；(c) 缺陷回波正峰值；(d) 底面回波正峰值

對(duì)3種類型的夾雜物，計(jì)算獲得的頻域超聲參量隨夾雜物深度的變化關(guān)系曲線如圖10所示。從圖10(a)和(b)可知：隨著夾雜物深度增加，底面回波的峰值頻率和帶寬均存在最小值，最小值對(duì)應(yīng)的夾雜物深度/=0.5，即當(dāng)夾雜物位于板厚的中間時(shí)，夾雜物對(duì)入射聲波中心頻率和帶寬范圍頻率成分的衰減最顯著，這與圖9(b)所示的/=0.5對(duì)應(yīng)最大衰減一致。

(a) 底面回波峰值頻率；(b) 底面回波?6 dB帶寬

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用超聲掃描顯微鏡裝置PVA SAM300對(duì)厚度為1.5 mm的2個(gè)鍍鋅板樣品進(jìn)行超聲掃描實(shí)驗(yàn)測(cè)試。與仿真計(jì)算條件保持一致，實(shí)驗(yàn)測(cè)試選取的探頭為中心頻率50 MHz，晶片直徑3 mm，幾何焦距10 mm的水浸式點(diǎn)聚焦探頭。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采樣頻率為5 GHz，對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為0.2 ns，與仿真計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)0.2 ns相同。機(jī)械掃查機(jī)構(gòu)的掃描步進(jìn)精度為3 μm。樣品1號(hào)內(nèi)部不同深度檢測(cè)到3個(gè)缺陷，不同深度缺陷的時(shí)域波形如圖11所示。不同深度缺陷的缺陷回波與界面波之間的時(shí)間間隔()分別為0.231，0.304和0.382 μs，計(jì)算獲得的缺陷深度()分別為0.66，0.87和1.04 mm。缺陷的深度和最大長(zhǎng)度如表2所示。其中，缺陷的最大長(zhǎng)度采用C掃圖像的?6 dB下降法確定[20?21]。

h/mm：(a) 0.66；(b) 0.87；(c) 1.04

為了進(jìn)一步驗(yàn)證超聲檢測(cè)的缺陷是否為夾雜物并判定夾雜物的類型，對(duì)超聲檢測(cè)后的樣品進(jìn)行切割、打磨和拋光處理，使缺陷暴露于表面，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察并進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖12所示。其中，Al元素和O元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為36.75%和52.21%，原子數(shù)之比約為2:3，能譜結(jié)果顯示夾雜物的類型為Al2O3。

表2 1號(hào)樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)試的缺陷深度與最大長(zhǎng)度

(a) 掃描電鏡圖；(b) 能譜分析

從表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：樣品1號(hào)中檢測(cè)到的3個(gè)夾雜物尺寸差異較小，而深度差異較大。因此，對(duì)樣品1號(hào)不同深度Al2O3夾雜物的時(shí)域波形進(jìn)行縱波聲速特征值和衰減系數(shù)計(jì)算，并與圖9(a)和9(b)的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。從圖13可知：實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)算的聲速和衰減系數(shù)與仿真計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性，證明了仿真計(jì)算結(jié)果的正確性。同時(shí)，仿真計(jì)算獲得的夾雜物的類型、厚度和深度等屬性特征對(duì)超聲測(cè)量信號(hào)的影響規(guī)律可為實(shí)際非金屬夾雜物的超聲檢測(cè)提供基礎(chǔ)與參考。

(a) 聲速；(b) 衰減系數(shù)

4 結(jié)論

1) 當(dāng)鋼材內(nèi)部存在夾雜物時(shí)，縱波聲速隨夾雜物尺寸的增加呈線性遞增，而不隨夾雜物的深度變化。含有Al2O3夾雜物的聲速最大且增速最快，含有MnS夾雜物的聲速最小且增速最慢，縱波聲速可以作為判定內(nèi)部是否存在夾雜物的參量。

2) 當(dāng)夾雜物厚度與入射聲波波長(zhǎng)相等時(shí)，時(shí)域和頻域超聲參量均出現(xiàn)極值。該特性可以為超聲準(zhǔn)確測(cè)定夾雜物尺寸提供基礎(chǔ)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，可以采用不同中心頻率的探頭測(cè)量獲取多個(gè)回波曲線，繪制不同超聲參量隨入射波長(zhǎng)的變化曲線，曲線的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為夾雜物的厚度。

3) 當(dāng)夾雜物深度位于鋼板厚度的中間時(shí)，衰減系數(shù)和底面回波頻域參量均出現(xiàn)極值，衰減系數(shù)最大，夾雜物對(duì)入射聲波中心頻率和帶寬范圍頻率成分的衰減最顯著，且含有MnS夾雜物引起的聲波幅值衰減最嚴(yán)重，含有TiN夾雜物的聲波幅值衰減最小。

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(編輯 楊幼平)

Effect of embedded inclusion in steel on ultrasonic parameters in time frequency domain

XIAO Huifang1, CHEN Dan2, XU Jinwu2

(1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

A numerical analytical model of two-dimensional isotropic plate with embedded inclusion was established, andthe variation of ultrasonic signals with the depth, thickness and type of inclusions was studied. The validity of the model was verified using experimental results from ultrasonic microscope measurement and scanning electron microscope. The results show that the longitude sound velocity increases linearly with the thickness of inclusion. The Al2O3inclusion has the largest sound velocity and the fastest increasing rate, while the sound velocity of MnS inclusion has the smallest sound velocity and the slowest rising rate. The longitudinal sound velocity can be used to determine the existence of inclusion. The relationship between different ultrasonic parameters and incident wavelength can be used to determine the thickness of inclusions. When the inclusion is at the center of the steel plate, the attenuation coefficient has the maximum value, and the attenuation of MnS inclusion is the maximum, while the attenuation of TiN inclusion is the minimum.

inclusion; ultrasonic parameters; numerical simulation; multi-domain; influence effect

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.003

TH14

A

1672?7207(2018)10?2381?10

2017?11?07；

2018?03?02

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAF30B00)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51775037)(Project(2015BAF30B00) supported by the National Science and Technology Program of China during the 12th Five-Year Plan Period; Project(51775037) supported by the National Natural Science Foundation of China)

肖會(huì)芳，博士，副教授，從事材料超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究；E-mail：huifangxiao@ustb.edu.cn