陈丹等：金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 ·943· 物指标和产品等级的关系，确定最优的炼钢工艺) 本文针对钢板中夹杂缺陷的超声检测问题，建立 常见的夹杂物主要分为内生夹杂物和外生夹杂物，如 包含夹杂物缺陷的二维金属板模型，采用有限元数值 最典型的内生夹杂物Al,0,和TN.不同夹杂物的尺寸 模拟的方法，在设置了符合收敛性要求的网格尺寸和 范围一般从几微米到几百微米，有些显微夹杂物甚至 网格划分情况下对材料内部的超声波场进行计算，获 小于1m.与一般的物理、化学分析方法相比，采用超 得了两种典型夹杂物A,0,和TN,以及二者在材料内 声波检测的方法不仅可以实现钢材内部夹杂物的定性 不同深度位置的超声回波信号，研究了夹杂物属性和 和定量检测，而且具有不损伤材料和快速便捷的优点， 夹杂物深度对超声回波时域波形以及对界面波、夹杂 有望实现夹杂物的工业在线检测 物缺陷回波和底面回波频谱分布的影响规律，为材料 然而，对于带钢内部夹杂物的超声检测，如何通过 内部夹杂物缺陷的超声检测提供指导. 检测获得的超声回波信号辨识夹杂物的属性和位置， 1模型描述 一直是夹杂物超声检测的重点和难点问题.与实验测 量相比，数值模拟可以任意改变模型参数以实现不同 1.1几何模型 的检测目标，且仿真结果不受环境噪声、材料表面形貌 由于实际带钢的长度尺寸远大于其宽度和厚度尺 等不确定因素的影响，具有便捷、经济、高效等优点，因 寸，因而对实际的三维钢板模型进行二维的平面应力 此在夹杂物的超声检测方面具有重要的理论和实际意 简化处理，建立宽度和厚度截面的二维金属板模型. 义.Ogilvy通过建立三维有限元模型，给出了夹杂物 研究材料内部夹杂物缺陷对超声波传播特性影响规律 团簇对超声波的透射衰减与背散射信号强度之间的经 的模型示意图见图1.二维矩形金属板的宽度为L,厚 验关系，指出夹杂物的存在会引起检测信号敏感度的 度为H:宽度为l,厚度为h的矩形夹杂物缺陷位于金 下降.Darmon等因模拟并预测了钢板中铝夹杂物的 属板的半宽位置，且夹杂物方向平行于金属板表面，夹 超声响应问题，采用修正后的波恩近似方法可以提高 杂物在金属板内部的位置仅由其深度d决定，定义为 实际检测的精度，并适用于不同形状的夹杂物 夹杂物上表面到金属板上表面的距离.由于声波反射 Agg©lism采用数值模拟的方法研究了不均匀弹性体中 法检测采用同端发射同端接收的方式，因此模型中的 夹杂物的尺寸效应对表面波传播特性的影响，指出夹 加载区域与接收区域均位于模型上表面中心区域附 杂物形状对材料中纵波和瑞利波速度的影响高达 近，二维模型的加载区域长度与普通聚焦探头的焦柱 15%以上. 直径相当. 加载区域 声吸收边界 夹杂物 声吸收边界 金属基体 L 图1二维模型示意图 Fig.I Schematic illustration of a two-dimensional model 计算中，钢板的尺寸为H=5.0mm,L=5.0mm 表1仿真模型参数 夹杂物的尺寸为h=0.2mm,l=1.5mm,吸收边界的宽 Table 1 Parameters of the simulation model 度S=2L=10.0mm.钢板基体及两种夹杂物Al,03和 材料类型 密度/(kgm3)杨氏模量/GPa 泊松比 TN的材料参数如表1所示. 45*钢板（基体） 7890 209 0.269 为了便于分析夹杂物的材料属性和夹杂深度对反 TiN(夹杂物) 5440 450 0.220 射回波波形在时域和频域上的影响规律，选取尺寸较大 A山203（夹杂物） 2700 12 0.300 的矩形夹杂物进行数值模拟，其几何参数如表2所示.陈 丹等: 金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 物指标和产品等级的关系，确定最优的炼钢工艺［3］． 常见的夹杂物主要分为内生夹杂物和外生夹杂物，如 最典型的内生夹杂物 Al2O3和 TiN． 不同夹杂物的尺寸 范围一般从几微米到几百微米，有些显微夹杂物甚至 小于 1 μm． 与一般的物理、化学分析方法相比，采用超 声波检测的方法不仅可以实现钢材内部夹杂物的定性 和定量检测，而且具有不损伤材料和快速便捷的优点， 有望实现夹杂物的工业在线检测［4］． 然而，对于带钢内部夹杂物的超声检测，如何通过 检测获得的超声回波信号辨识夹杂物的属性和位置， 一直是夹杂物超声检测的重点和难点问题． 与实验测 量相比，数值模拟可以任意改变模型参数以实现不同 的检测目标，且仿真结果不受环境噪声、材料表面形貌 等不确定因素的影响，具有便捷、经济、高效等优点，因 此在夹杂物的超声检测方面具有重要的理论和实际意 义． Ogilvy［5］通过建立三维有限元模型，给出了夹杂物 团簇对超声波的透射衰减与背散射信号强度之间的经 验关系，指出夹杂物的存在会引起检测信号敏感度的 下降． Darmon 等［6］模拟并预测了钢板中铝夹杂物的 超声响应问题，采用修正后的波恩近似方法可以提高 实际 检 测 的 精 度，并 适 用 于 不 同 形 状 的 夹 杂 物． Aggelis［7］采用数值模拟的方法研究了不均匀弹性体中 夹杂物的尺寸效应对表面波传播特性的影响，指出夹 杂物形状对材料中纵波和瑞利波速度的影响高达 15% 以上． 本文针对钢板中夹杂缺陷的超声检测问题，建立 包含夹杂物缺陷的二维金属板模型，采用有限元数值 模拟的方法，在设置了符合收敛性要求的网格尺寸和 网格划分情况下对材料内部的超声波场进行计算，获 得了两种典型夹杂物 Al2O3和 TiN，以及二者在材料内 不同深度位置的超声回波信号，研究了夹杂物属性和 夹杂物深度对超声回波时域波形以及对界面波、夹杂 物缺陷回波和底面回波频谱分布的影响规律，为材料 内部夹杂物缺陷的超声检测提供指导． 1 模型描述 1. 1 几何模型 由于实际带钢的长度尺寸远大于其宽度和厚度尺 寸，因而对实际的三维钢板模型进行二维的平面应力 简化处理，建立宽度和厚度截面的二维金属板模型． 研究材料内部夹杂物缺陷对超声波传播特性影响规律 的模型示意图见图 1． 二维矩形金属板的宽度为 L，厚 度为 H; 宽度为 l，厚度为 h 的矩形夹杂物缺陷位于金 属板的半宽位置，且夹杂物方向平行于金属板表面，夹 杂物在金属板内部的位置仅由其深度 d 决定，定义为 夹杂物上表面到金属板上表面的距离． 由于声波反射 法检测采用同端发射同端接收的方式，因此模型中的 加载区域与接收区域均位于模型上表面中心区域附 近，二维模型的加载区域长度与普通聚焦探头的焦柱 直径相当． 图 1 二维模型示意图 Fig． 1 Schematic illustration of a two-dimensional model 计算中，钢板的尺寸为 H = 5. 0 mm，L = 5. 0 mm． 夹杂物的尺寸为 h = 0. 2 mm，l = 1. 5 mm，吸收边界的宽 度 S = 2L = 10. 0 mm． 钢板基体及两种夹杂物 Al2O3和 TiN 的材料参数如表 1 所示． 为了便于分析夹杂物的材料属性和夹杂深度对反 射回波波形在时域和频域上的影响规律，选取尺寸较大 的矩形夹杂物进行数值模拟，其几何参数如表 2 所示． 表 1 仿真模型参数 Table 1 Parameters of the simulation model 材料类型 密度/( kg·m － 3 ) 杨氏模量/GPa 泊松比 45# 钢板( 基体) 7890 209 0. 269 TiN( 夹杂物) 5440 450 0. 220 Al2O3 ( 夹杂物) 2700 72 0. 300 · 349 ·