工程科学学报，第37卷，第7期：942949,2015年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.7:942-949,July 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.017:http://journals.ustb.edu.cn 金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 陈 丹”，肖会芳)区，黎敏”，王善超”，徐金梧” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:huifangxiao(@usth.edu.cm 摘要在金属材料内部夹杂物的超声检测中，如何通过检测获得的回波信号辨识夹杂物的属性和位置，一直是其重点和难 点问题.通过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，对材料内部超声波场进行计算，获得了 两种最典型的夹杂物A山，0，和TN,以及二者在材料内部不同深度时的超声回波信号.研究了夹杂物类型和夹杂物深度对超 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 关键词金属材料：非金属夹杂物：超声检测：数值模拟：频谱分析 分类号TG115.285:G142.1 Numerical simulation of ultrasonic testing for non-metallic inclusions in metallic materials CHEN Dan,XIAO Hui-fang?,LI Min,WANG Shan-chao),XU Jin-wu) 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 Corresponding author,E-mail:huifangxiao@ustb.edu.cn ABSTRACT In the area of internal inclusion detection using ultrasonic,identifying the location and type of internal inclusions using the collected back echo signals has always been a difficult problem.A two-dimensional metallic plate containing inclusions is estab- lished.Ultrasonic wave fields inside this material are calculated by the finite element method.Echo waves for two typical inclusions of Al,O,and TiN and for these inclusions with different depths are obtained.The influences of the type and depth of inclusions on the time-domain and the spectral distribution of interfacial waves,echo waves of inclusions and bottom echo waves are analyzed especially. KEY WORDS metallic materials:non-metallic inclusions:ultrasonic testing:numerical simulation:spectral analysis 钢中非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧 夹杂物上形核，并进一步聚合、长大和扩展，最终导致 化物、硫化物、硅酸盐或氮化物.它们是钢在治炼过程 工程结构材料断裂.夹杂物数量越多，尺寸越大，裂纹 中因加入脱氧剂而形成的氧化物、硅酸盐和钢在凝固 萌生的几率越高，钢材的韧性值就越低.大尺寸夹杂 过程中由于某些元素溶解度下降而形成的硫化物和氮 物对钢疲劳强度的有害性更强，而小于临界尺寸(4~ 化物，以及炉渣或耐火材料来不及排除而留在钢中形 7.5μm)的夹杂物往往无害甚至有益四.随着洁净钢 成的夹杂物四.非金属夹杂物对钢的使用性能和工艺 的发展，控制钢中夹杂物的存在已成为钢铁生产企业 性能均产生严重影响，包括强度、塑性、断裂韧性、切 技术发展战略的关键.为了判断工艺条件对钢中夹杂 削、疲劳、热脆、耐腐蚀性等.由于非金属夹杂物的存 物类型和位置的影响，需要在炼钢过程中建立一套评 在破坏了金属的连续性，造成应力集中，引起微裂纹在 价钢中夹杂物水平的在线检测方法，找出钢水中夹杂 收稿日期：2014-04-20 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAF04B02):北京高等学校青年英才计划资助项目(YET0373)工程科学学报，第 37 卷，第 7 期: 942--949，2015 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 7: 942--949，July 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 07． 017; http: / /journals． ustb． edu． cn 金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 陈 丹1) ，肖会芳2) ，黎 敏1) ，王善超1) ，徐金梧1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心，北京 100083  通信作者，E-mail: huifangxiao@ ustb． edu． cn 摘 要 在金属材料内部夹杂物的超声检测中，如何通过检测获得的回波信号辨识夹杂物的属性和位置，一直是其重点和难 点问题． 通过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，对材料内部超声波场进行计算，获得了 两种最典型的夹杂物 Al2O3和 TiN，以及二者在材料内部不同深度时的超声回波信号． 研究了夹杂物类型和夹杂物深度对超 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． 关键词 金属材料; 非金属夹杂物; 超声检测; 数值模拟; 频谱分析 分类号 TG115. 285; G142. 1 Numerical simulation of ultrasonic testing for non-metallic inclusions in metallic materials CHEN Dan1) ，XIAO Hui-fang2)  ，LI Min1) ，WANG Shan-chao1) ，XU Jin-wu1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) National Engineering Ｒesearch Center of Flat Ｒolling Equipment，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083  Corresponding author，E-mail: huifangxiao@ ustb． edu． cn ABSTＲACT In the area of internal inclusion detection using ultrasonic，identifying the location and type of internal inclusions using the collected back echo signals has always been a difficult problem． A two-dimensional metallic plate containing inclusions is estab￾lished． Ultrasonic wave fields inside this material are calculated by the finite element method． Echo waves for two typical inclusions of Al2O3 and TiN and for these inclusions with different depths are obtained． The influences of the type and depth of inclusions on the time-domain and the spectral distribution of interfacial waves，echo waves of inclusions and bottom echo waves are analyzed especially． KEY WOＲDS metallic materials; non-metallic inclusions; ultrasonic testing; numerical simulation; spectral analysis 收稿日期: 2014--04--20 基金项目: “十二五”国家科技支撑计划资助项目( 2012BAF04B02) ; 北京高等学校青年英才计划资助项目( YETP0373) 钢中非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧 化物、硫化物、硅酸盐或氮化物． 它们是钢在冶炼过程 中因加入脱氧剂而形成的氧化物、硅酸盐和钢在凝固 过程中由于某些元素溶解度下降而形成的硫化物和氮 化物，以及炉渣或耐火材料来不及排除而留在钢中形 成的夹杂物［1］． 非金属夹杂物对钢的使用性能和工艺 性能均产生严重影响，包括强度、塑性、断裂韧性、切 削、疲劳、热脆、耐腐蚀性等． 由于非金属夹杂物的存 在破坏了金属的连续性，造成应力集中，引起微裂纹在 夹杂物上形核，并进一步聚合、长大和扩展，最终导致 工程结构材料断裂． 夹杂物数量越多，尺寸越大，裂纹 萌生的几率越高，钢材的韧性值就越低． 大尺寸夹杂 物对钢疲劳强度的有害性更强，而小于临界尺寸( 4 ～ 7. 5 μm) 的夹杂物往往无害甚至有益［2］． 随着洁净钢 的发展，控制钢中夹杂物的存在已成为钢铁生产企业 技术发展战略的关键． 为了判断工艺条件对钢中夹杂 物类型和位置的影响，需要在炼钢过程中建立一套评 价钢中夹杂物水平的在线检测方法，找出钢水中夹杂