浅谈粗晶材料及其超声检测技术

浅谈粗晶材料及其超声检测技术

安东石油技术（集团）有限公司陈先富

[摘要]本文介绍了几种常见粗晶材料的组织结构特点，理论上分析了粗晶材料晶粒度对超声检测的影响，总结了粗晶材料的现有超声检测方法。

超声检测是常规无损检测方法之一。与其他方法相比，超声检测具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低等优点，因此在机械制造、冶金、航空航天、石油化工、铁路运输等众多工业领域中得到了广泛应用。然而，当被检测材料的微观结构（如钢中的晶粒和铸铁中的石墨片）较大时，会造成严重的材料噪声和声波衰减，致使超声检测的高灵敏度、强穿透力等优越性严重下降。因此，提高强散射材料缺陷检出能力和信噪比是无损检测领域中的重要研究课题。

粗晶材料是超声探伤中经常遇到的强散射材料，其对超声检测能力的影响是由材料本身组织特点决定的。

1．几种常见粗晶材料

⑴奥氏体不锈钢

工业生产中，通过向钢中添加镍、锰、氮等奥氏体化合金元素，抑制奥氏体转化温度，使常温下奥氏体相呈稳定状态，以获得奥氏体不锈钢。奥氏体钢冷却时不经过相变，常温下的晶粒就是高温时的粗大奥氏体晶粒。这使奥氏体不锈钢对超声的散射很大，散射信号作为噪声，在探伤仪屏幕上呈现草状回波，同时散射使衰减增大，缺陷信号强度大大降低。另外，奥氏体钢的热处理（如固溶处理）并不能改变其奥氏体组织，无法细化晶粒。因此，奥氏体不锈钢铸件都是粗晶粒的，很难进行超声探伤[1]。

⑵灰铸铁

灰铸铁中含碳量高（大于2.11%），材料内部含有大量片状石墨。若进行超声检测，这些片状石墨和粗大晶粒会造成非常显著的散射回波和信号衰减，因此，通常灰铸铁件很难采用超声探伤[2]。

⑶粗晶钛合金

相比粗晶奥氏体不锈钢和铸铁件，粗晶钛合金的晶粒要细些，晶粒度通常要小几个级别。但由于钛合金往往用在飞机发动机等重要部件中，要求检出缺陷的尺寸小，对超声检测的灵敏度要求很高。

可以看出：粗晶材料所含晶粒是影响超声检测的主要因素。

2．材料晶粒度对超声检测的影响

材料晶粒度对超声检测的影响表现在散射和衰减两个方面。

超声无损检测对象，通常是多晶体金属材料，其内部由大量随机分布的晶粒和晶界间夹杂物组成。超声信号进入材料内部，会在各种界面发生散射。

超声波散射与材料晶粒平均直径有关,当晶粒平均直径-d与波长λ的比值小

于0.1时，散射现象微弱，对超声检测不会造成大的影响；而当比值大于0.1时，散射现象将显著增强，超声检测的信噪比降低灵敏度下降。另外,超声波的散射还与材料各向异性程度、超声波频率等因素有关。在瑞利散射区，散射系数

与晶粒平均直径、各向异性程度以及超声波频率f 之间的定量关系由下式给出

[3]：

43

2f d c s -=α

式中：s α为散射系数；2c 是与材料各向异性程度相关的常数；-d 为晶粒平

均直径。可见，晶粒越粗大、材料各向异性程度越严重、超声波频率越高，则散

射越强烈。

图1示意性地表示了不

同晶粒度材料散射幅度曲

线与超声换能器频率响应

曲线的相对位置关系。通

常，细晶粒材料散射幅度曲

线与换能器频带范围交叠

小，散射现象微弱，因此，

超声检测的信噪比和灵敏

度较高。但对于粗晶粒材料

而言，因晶粒平均直径增

大，散射幅度曲线向低频方

向偏移，与换能器频带发生较大交叠，散射现象明显，信噪比低，常规的超声检

测规程通常无法实施，超声对缺陷的检测出能力严重下降。

散射会造成严重的材料噪声，而衰减则导致缺陷与底波信号等材料结构特征

信号的弱化，是导致超声检出能力下降的另一重要原因。在声波的扩散、散射和

吸收过程中，粗大晶粒所造成的高衰减会使超声检测灵敏度严重下降。总之，材

料晶粒度是超声检测灵敏度的重要影响因素。

3．粗晶材料的现有检测手段

目前人们对粗晶材料的检测的手段大致总结为三类：

⑴采用低频窄带探头进行检测

这是一种纯物理的方法，目的是避开可能发生强烈散射的频带，降低散射噪

声。但这种方法探伤分辨率低，灵敏度低，对探头的窄带性和系列化要求较高。

⑵采用聚焦技术

一种传统的做法是采用大直径聚焦探头。由于聚焦探头有一段聚焦细声束，

利用细声束进行探伤可以减少杂波，提高探测灵敏度。另一种方式是采用相控阵

技术，实现焦点位置的动态控制，这样可以避免普通聚焦探头为实现全深度聚焦

检测而对不同深度范围频繁更换探头的麻烦。聚焦技术可以以细声束和小聚焦区

域在一定程度上抑制散射噪声对检测的干扰，但单纯依靠聚焦，不可能达到我们

所期望的缺陷检出能力，因为在聚焦区内仍有大量的散射体存在。

⑶采用信号处理技术，提取缺陷信息

小波变换、分离谱等技术的运用，在粗晶材料超声信噪比增强方面取得良好

效果；数字信号处理技术的采用，则进一步提高了缺陷的超声检出能力。超声检

测时频分析处理方法[4]，就是一种粗晶材料超声检测的时频分析处理方法。该方

法先获得优质时频图像，然后提取时频图像缺陷信息，最后实现缺陷信息的A

型显示，可以检测粗晶材料中微小的缺陷，具有非常好的信噪比增强效果。

目前，粗晶材料检测仪器或系统的设计研发仍在快速发展，相信会有更多的粗晶材料无损检测新技术出现，以提高我们对粗晶材料的完整性评价能力。

[参考文献]

[1]胡建恺，张谦琳. 超声检测原理和方法.中国科学技术大学出版社，1993

[2]李家伟，陈积懋. 无损检测手册. 机械工业出版社，2002

[3]陈积懋，余南廷. 超声检测新技术. 科学出版社，1991

[4]施克仁，郭寓岷．无损检测新技术．清华大学出版社，2007