TMCP鋼各向異性對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結合起來，在盡量減少合金元素添加的情況下，通過加快軋制后的冷卻速度，使鋼材晶粒細化，得到高強度和高沖擊韌性的下貝氏體組織。TMCP工藝實現了晶粒細化和細晶強化，從而使TMCP鋼具有良好的綜合機械性能。

TMCP 工藝在不添加過多合金元素，也不需要復雜的后續熱處理的條件下,能產出高強度高韌性的鋼材，被認為是一項節約合金及能源的工藝；TMCP 工藝產出的鋼材碳當量一般小于0.4%，具有良好的焊接性，可使鋼材在不預熱且不熱處理的情況下進行現場焊接。碳當量低還可以降低焊接熱影響區的硬度，不容易形成因顯微偏析而產生的局部硬化相，容易保證焊接部位的韌性；同時TMCP鋼具有良好的抗層間撕裂能力和一定的耐腐蝕性能。正因為具有這些優點， TMCP鋼的應用范圍不斷擴大，對TMCP鋼的無損檢測也越來越重要。由于TMCP鋼在軋制過程中，鋼板晶粒在軋制方向上呈長條狀，從而導致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律，具有重要的現實意義。

1 TMCP鋼折射角差異的原因分析

根據超聲波斜入射到異質界面的折射定律，人們會自然地想到，TMCP鋼在不同方向上的折射角差異可能是由聲速差異導致的。然而，筆者通過查閱文獻以及進行實測發現，折射角的差異遠比依據普通碳鋼橫波聲速計算出來的差異大得多，于是筆者嘗試從TMCP鋼的內部晶粒結構方面去考慮此問題。

TMCP鋼的內部晶粒主要是超細鐵素體組織、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如圖1所示。晶粒的空間形態呈雙凸透鏡狀，長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構中傳播，當波束穿過每一個晶粒時，方向都會產生微小的偏折,波束穿過晶界也會產生偏折，這些微小的偏折經過疊加，宏觀上就表現為折射角數值的較大差別。

圖1 TMCP鋼的內部晶粒結構在電子顯微鏡下的形態

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

圖2 超聲波穿過TMCP鋼晶粒的模擬放大圖

另外，聲束以不同的角度進入晶粒時，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鋼折射角的數值越大。

2 TMCP鋼橫波折射角的測量方法

2.1 測定水平距離

在進行TMCP鋼焊接接頭的超聲波檢測過程中，根據現場板材的厚度T，應先找兩個規格相同，標稱角度相同的斜探頭，測定兩個探頭的前沿(L1，L2)；使兩探頭在兩個方向(平行和垂直軋制方向)上分別做一發一收測試(見圖3)，找到一次反射波的最高波，探頭不動，記錄兩探頭之間的水平距離L。

圖3 超聲波發射-接收聲束路線

2.2 計算TMCP鋼中探頭橫波折射角

3 試驗準備

3.1 儀器和探頭準備

試驗使用的儀器為Olympus EPOCH 600,儀器編號為130557607,分別采用不同標稱參數的6組探頭進行試驗。試驗時，在IIW試塊上測得探頭在碳鋼上的前沿與折射角，如表1所示。

表1 試驗所用探頭的基本參數

3.2 試塊準備

試驗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成，其中一個方向為軋制方向,另一個方向為垂直軋制方向。選用厚度分別為30，40，50 mm的3種試塊進行試驗，3種試塊的規格如表2所示。

圖4 TMCP試塊設計圖及實物圖

3.3 掃查架準備

利用雙探頭法測量橫波折射角的方法有一個關鍵點，就是要讓發射探頭與接收探頭處在同一條直線上，以保證發射聲束能夠被接收探頭接收。為了達到這個目的，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探頭的尺寸留出來的，這樣探頭在其之間只能前后移動，而不會左右擺動。

圖5 探頭掃查架外觀

4 實測折射角與數據處理

選用表1中的探頭對進行試驗,試驗現場如圖6所示，將掃查架放在試塊的垂直軋制方向上，試驗時先固定其中一個探頭，然后一邊前后移動另一個探頭，一邊觀察儀器屏幕的反射波信號，直到找到最高波時停止移動，測出此時兩探頭之間的水平距離L并記錄。為了減小隨機誤差，每一個L值要做3次試驗后取其平均值。

圖6 試驗現場

類似地，將掃查架放在試塊的平行軋制方向上進行試驗，可得到相應的試驗數據。

這樣，采用不同角度、不同規格尺寸的探頭在不同厚度試塊上的兩個互相垂直的方向依次進行上述操作，總共進行108次測量，得到36組數據，如表3～5所示。

表3 兩種規格的45°探頭測試TMCP鋼中兩個方向的折射角

表4 兩種規格的60°探頭測試TMCP鋼中兩個方向的折射角

表5 兩種規格的70°探頭測試TMCP鋼中兩個方向的折射角

為了直觀地得到這些數據的規律，根據上述3個表格制作了折線圖,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探頭的三組試驗數據分析

圖8 2.5Z15*15探頭的三組試驗數據分析

對比圖7,8可以看出，兩圖對應的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基本相同。說明在對TMCP鋼進行橫波檢測時，選用的探頭頻率和晶片尺寸對橫波折射角的影響不大，在接下來的分析中基本可以忽略探頭規格所造成的影響。

為此，選取圖7作為分析對象?？梢钥吹?，無論是45°，60°還是70°探頭測得的數據，平行軋制方向得到的數據折線分布在0°線上方，垂直軋制方向得到的數據折線分布在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，偏離0°線的程度很?。?0°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°線的程度呈現越來越大的趨勢，說明TMCP鋼材厚度對橫波折射角也有影響。

5 結論

試驗結果驗證了使用超聲波檢測TMCP鋼時，折射角隨方向和厚度的變化規律。在對TMCP鋼進行橫波檢測時，所選用的探頭頻率和晶片尺寸對橫波折射角的影響不大，但一般推薦使用相同規格的橫波斜探頭；在平行軋制方向上，TMCP鋼實測折射角比普通碳鋼的折射角大；在垂直軋制方向上，TMCP鋼實測折射角比普通碳鋼的折射角小。采用45°探頭進行檢測，TMCP鋼與普通碳鋼在折射角上的差異很小;用60°探頭檢測時，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°探頭檢測時，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。

試驗結果為TMCP鋼橫波檢測中最關鍵的步驟之一——折射角的修正提供了方法和數值參考，可以指導檢測人員正確進行TMCP鋼折射角的修正。