HT250材料超声探伤中的衰减性探究

董世运，李浩宇，徐滨士，朱学耕

（装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072）

HT250材料超声探伤中的衰减性探究

董世运，李浩宇，徐滨士，朱学耕

（装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072）

HT250材料目前在很多行业中有广泛的应用，为探究其在超声探伤中的衰减性，利用一组参数不同的直探头测定HT250和45钢的衰减系数。检测结果表明：1）HT250衰减系数大于45钢。2）探头频率和晶片尺寸均影响着衰减系数大小。开展模拟实验分析它们对衰减系数的影响，模拟结果表明：提高探头频率使衰减系数增大，频率越高增幅越大；探头晶片尺寸增大使衰减系数减小，且探头晶片尺寸对衰减系数影响弱于频率。

HT250；衰减系数；探头频率；晶片尺寸

0　引　言

HT250材料常被用于生产加工重载车辆发动机缸盖[1]、造纸机烘缸[2]等零件，其在铸造和服役过程中可能出现缺陷。超声检测法具有快速、准确、环保、成本低的优点[3]，非常适合灰铸铁内部缺陷的检测。但超声波在灰铸铁中传播衰减的问题，已成为影响HT250材料超声检测效果的主要因素。在实际检测中，HT250材料属于超声衰减较强的材料，往往需要经验丰富的超声检测人员根据实际情况和检测需求选择合适的探头和检测方法，才能得到接近实际的结果。本文为探究HT250材料在超声检测中超声衰减强的原因和其影响因素，对其超声衰减系数进行测定并通过模拟试验分析其变化规律。

1　HT250　超声衰减系数测定

超声衰减系数是表征在某种材料中传播超声波的衰减程度的量化参数，常表示为dB/mm，物理意义为单位长度内衰减的分贝数。一般采用理论计算法和实际测定法可得到衰减系数。在超声探伤理论中，一般只考虑探伤材料对衰减的影响，其衰减系数的理论计算公式[4]为

式中：α——理论衰减系数；

αa——粘滞衰减系数；

αs——散射衰减系数；

c1——常数；

f——声波频率；

c2——常数；

F——材料各向异性因数；

d——材料晶粒尺寸。

而实际测定法则使用探头对厚度已知的材料进行检测，通过测定不同次底波的声压，计算得到材料的衰减系数，其计算公式[5]为

式中：α——计算衰减系数；

pm、pn——测得的第m次、n次底波分贝数；

h——材料厚度。

由于衰减系数的理论计算法的公式是在一些理想的假设条件[6]下提出，并且未考虑声波的扩散对衰减的影响，因此和工程实际检测结果存在误差[7]。而实际测定法利用测定底波分贝差除以声程差，结果准确可靠，且能客观完整地体现衰减系数的物理意义，因而采取实际测定法来进行试验。

1.1试验仪器、探头与试块

超声检测仪采用爱德森公司与再制造重点实验室联合研制的EUT-101B型低频超声检测仪，选用的探头型号及其参数如表1所示。测试试块为HT250材料和45钢材料，两试块尺寸均为135mm×60mm× 35mm。

表1　试验探头参数（声速5300m/s下测得）

1.2试验方法

试块检测试验采用机油为耦合剂，依次将表1中的5个参数不同的直探头分别置于HT250和45钢试块的2个测试面上（见图1），测定60mm和135mm厚度的衰减系数。由于探头频率范围为1～2.5MHz，为了获得更全面的检测效果，将检测仪接收频带分别置于0.3～2MHz的一档和2～4MHz的二档进行两组试验。调节仪器初始增益使一次底波达到60%的波高，调节闸门获取二次底波与一次底波的分贝差（p1-p2）（见图2），并由已知的测试厚度h计算出实测衰减系数

图1　试块的不同测试厚度

图2　二次底波与一次底波的分贝差

1.3试验结果与分析

两组试验所测得的分贝差和计算出的衰减系数如表2所示。

从表中可以看到在检测仪两个频带档位所测出的两组数据中，底波声压差及衰减系数稍有不同，但总体趋势一致。首先，两种材料在不同厚度下测出的衰减系数几乎一致，说明衰减系数不随材料的厚度变化而变化，符合实际情况。其次，在检测条件相同的情况下，HT250材料的衰减系数均明显大于45钢材料的衰减系数，相对于45钢表现出较强的衰减性。比较T2、T3、T4、T5组数据可看出其他条件相同的情况下，探头频率越高，测得的衰减系数越大，符合声波衰减理论。此外T1与T2组数据对比显示出晶片尺寸较小的探头所测得衰减系数较大，因此推测晶片尺寸的大小影响着实测衰减系数。

表2　HT250与45钢实测衰减系数

为探究HT250材料衰减性明显强于45钢材料的原因，分别制取两种材料的金相试样观察其组织如图3所示。

图3　金相组织观察图

从图中可以看出，HT250材料中有片层状石墨散乱分布于珠光体基体组织中，周围还有少量白色磷化物。片层状石墨割裂了基体，并且导致声波在基体组织中传播遇到石墨产生散射，削弱了声能，导致声波衰减。此外，大量资料显示，灰铸铁粗大晶粒的晶界也对声波有一定的散射作用[8-9]。而在45钢中组织基本为珠光体和铁素体，结构致密而且晶粒较HT250晶粒细小，不易发生内部的散射，利于声波的传播[10]，因而45钢所测得声衰减系数较低。

2　模拟试验探究超声衰减系数变化规律

为验证表2的结果和推测，寻找探头频率和晶片尺寸对衰减系数的影响规律，利用超声模拟检测软件开展模拟试验。

2.1模拟试验方法

模拟试验采用CIVA11.0仿真检测软件。首先在CIVA软件中设置模拟实验参数，包括试块声速、尺寸、耦合参数、探头参数和材料衰减计算律等。

然后只改变探头参数中的频率和晶片尺寸中的一项，分别观察其独立变化对声场的影响。为了观察探头频率单独变化对声场的影响，设置探头晶片尺寸为20mm，观察探头频率从0.5MHz提高到2.5 MHz模拟出的声场的变化；为了观察探头晶片尺寸单独变化对声场的影响，设置探头频率为1.5 MHz，观察晶片尺寸从10 mm增大到30 mm模拟出的声场的变化。

此外，为确定探头频率和晶片尺寸与实测衰减系数的关系，根据实测衰减系数测定的原理进行模拟试验，分别模拟10，15，20，25，30mm 5种晶片尺寸下0.5，1，1.5，2，2.5MHz 5个频率的探头声场分布，在25个声场分布图中逐一取相应位置的声压值计算其衰减系数。模拟试验衰减系数计算公式：

式中：p1——假想1次底波声压值；

p2——假想2次底波声压值；

S——两次底波的声程差。

假想试块厚度为60mm，取120mm深度的声压为p1，240mm深度的声压为p2。由于在实际检测中扩散的声波对直探头检测特定位置的缺陷不利，探头晶片投影区域下的声波对其才有意义，且因声束扩散效果，同一深度下声压不同，因此取p1、p2均为有效平均声压：

声程差S为假想试块厚度的两倍，S=120 mm，d为晶片直径（见图4）。

图4　声压计算取点示意图

2.2模拟试验结果分析

1）晶片尺寸20mm，探头频率0.5～2.5MHz的探头声场图组如图5（a）～图5（e）所示。

图5　晶片尺寸20mm的不同频率探头声场图

从图中的5组声场图看出，探头的近场区（图中蓝色高亮区域）随着探头频率提高逐步增加，且声束随着频率的提高变得集中，说明频率提高减弱了声束扩散，提高了有效检测区域内的声能。

2）探头频率1.5MHz，晶片尺寸10~30 mm的探头声场图组如图6（a）～图6（e）所示。

图6　频率1.5MHz探头不同晶片尺寸声场图

从图中的5组声场图看出，探头近场区随着晶片尺寸增加而明显增大，声束形状也随着探头增大而变得集中，而由于声束变粗，集中效果不如图5的明显，但从近场区以下部分仍然可以看到，晶片尺寸的增加确实让声束更加集中，减弱了声能的扩散。

3）从25个模拟声场中依次取点，经过计算得出模拟检测60mm厚的HT250试块，衰减系数α随探头频率f和晶片尺寸d的变化趋势如图7所示。

图7　模拟实测HT250衰减系数分布图

从图中看出，该模拟试验计算出的衰减系数总体趋势是随着探头晶片尺寸增大而减小，随着频率增大而增大。对于60mm厚的试块而言，衰减系数在2MHz以下随频率增加增长缓慢，以后则陡然增长，体现出随频率的提高显著增大的特点，探头晶片尺寸变化对衰减系数也有影响，体现为晶片尺寸增大使得衰减系数降低，但其变化幅度不如前者大。分析是由晶片尺寸的增大减小了扩散角，使声束更集中，探头所能接收的反射回波更多，从而间接降低了衰减系数。

从降低衰减系数的角度选择探头，根据上述规律应该选择频率低且晶片尺寸大的探头，但是实际探伤中还需要考虑到探头近场区的影响，在探头的近场区声波干涉情况复杂，声压出现波动变化，因而在近场区范围内检测缺陷会影响检测效果。晶片尺寸增加会显著增大探头近场长度，且考虑到探头制造和检测可达性原因，晶片尺寸不可能非常大，此外过低的频率也会造成小缺陷的漏检。因此，在选择检测探头时，应综合考虑以上多方面因素，如对100 mm厚度以下的HT250的气孔、裂纹等缺陷检测，探头频率选择为1.5，2MHz较为合适，晶片直径则选15，20mm为佳。

3　结束语

1）HT250的实测衰减系数是45钢的2~5倍，其超声波衰减性明显强于45钢，可能是由于其内部的层状石墨组织和粗大晶粒的晶界对声波有着不同程度的散射作用导致。

2）探头的频率和晶片尺寸对实测衰减系数都有影响，其规律是随着频率的提高衰减系数显著增大，且频率越高，衰减系数的增幅越大；随着晶片尺寸的增大，衰减系数平缓减小，且晶片尺寸对衰减系数的影响弱于频率。

3）根据实际探伤中需要考虑到近场区和检测精度，结合上述实验发现的衰减性规律，本文认为频率为1.5，2MHz，晶片直径为15，20mm的探头适合检测100mm以下厚度的HT250材料。

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（编辑：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

国家自然科学基金项目（50975287）国家973计划项目（2011CB013405）

董世运（1973-），男，山东曹县人，副研究员，博士，主要从事无损检测与评估、再制造技术与质量控制等方面的研究。