分享：熱軋鋼板超聲波殘余應(yīng)力測試影響因素

隨著鋼鐵行業(yè)熱軋板產(chǎn)品日益向高強度、寬幅化方向發(fā)展，以及超快冷等熱處理工藝的推廣應(yīng)用，熱軋鋼板板形問題日趨突出。在熱軋鋼板制造過程中，軋制、熱處理、冷卻等工序，以及后期用戶使用過程中的成形、焊接、涂裝等工藝均可能引入殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是導(dǎo)致熱軋板出廠時板形不良、用戶使用過程中應(yīng)用性能不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。因此，必須有效控制鋼板生產(chǎn)過程中的殘余應(yīng)力，優(yōu)化用戶制造工藝，以減小殘余應(yīng)力的影響。 

殘余應(yīng)力調(diào)控的基礎(chǔ)在于準(zhǔn)確量化表征殘余應(yīng)力。目前國際上的殘余應(yīng)力檢測方法達十多種，主流測試方法包括：鉆孔法、壓痕法、X射線衍射法、全釋放法、環(huán)切法、中子衍射法和超聲波法等[1-3]。 

鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，無損檢測是確保板材檢測后仍能交付用戶的關(guān)鍵。現(xiàn)有方法中，X射線衍射法、中子衍射法和超聲波法屬于無損檢測方法[4-5]，其他方法大多會對鋼板造成局部或整體破壞。然而，目前國內(nèi)僅少數(shù)擁有核反應(yīng)堆或散裂中子源的國家級機構(gòu)能夠?qū)嵤┲凶友苌浞?，這些設(shè)備屬于重大科研基礎(chǔ)設(shè)施，尚未開發(fā)出小型便攜設(shè)備。X射線衍射法雖然測試精度高，并已通過市場驗證，但其測試效率較低，單點測試時間約需10 min，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場板形調(diào)控的時效性。 

近年來，國內(nèi)超聲波應(yīng)力檢測技術(shù)取得了顯著進展。由北京理工大學(xué)牽頭制定的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32073—2015《無損檢測 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法》已正式頒布實施，并率先在行業(yè)內(nèi)推出了配套的測試設(shè)備。該方法具有4大顯著優(yōu)勢：① 采用完全無損檢測方式不會對被測構(gòu)件造成任何損傷；② 檢測效率極高，單點測試時間可控制在10 s以內(nèi)；③ 具有較大的檢測深度，特別適合內(nèi)部應(yīng)力檢測需求；④ 整個過程無輻射危害，操作安全便捷，無需采取特殊防護措施[6-7]。 

然而，超聲波應(yīng)力測試的精度仍受多種因素影響。研究表明，超聲波傳播速度易受表面粗糙度、耦合劑狀態(tài)及環(huán)境溫度等因素干擾[8]。徐麗霞等[9]系統(tǒng)研究了殘余應(yīng)力測量準(zhǔn)確性的影響因素及其校正方法，通過試驗分析了溫度、工件表面粗糙度和換能器耦合狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)的影響。試驗結(jié)果表明：這些因素均可能導(dǎo)致顯著測量偏差，需采用溫度補償系數(shù)、表面粗糙度試塊校正及優(yōu)選耦合劑等方法進行修正；有效控制這些因素可使超聲波檢測殘余應(yīng)力的精度顯著提高。雷正偉等[10]建立了應(yīng)力測量的溫度-形變-應(yīng)力關(guān)系模型，并通過試驗驗證了溫度和應(yīng)變修正的重要性。特別對于熱軋鋼板而言，表面氧化鐵皮（包括其厚度、均勻性和致密性）、鋼板表面凸度以及厚度等因素，都會顯著影響超聲波在鋼板中的傳播特性。這些因素導(dǎo)致超聲波測試殘余應(yīng)力的精度仍低于X射線衍射法和鉆孔法。因此，需要通過系統(tǒng)研究消除相關(guān)干擾因素，以提升該方法的測試精度及其在板材及零部件現(xiàn)場檢測中的適用性。 

筆者以熱軋高強鋼板BS960E為研究對象，重點研究了表面氧化鐵皮、耦合劑類型、耦合劑膜厚、設(shè)備精度及操作人員差異等因素對測試結(jié)果的影響規(guī)律，旨在為超聲波殘余應(yīng)力測試技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用及工業(yè)化推廣提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。 

1.   試樣制備與試驗方法

1.1   試樣制備

從全尺寸BS960E熱軋高強鋼板上截取規(guī)格為500 mm×2 080 mm×6 mm（長度×寬度×高度）的試樣。試樣的屈服強度為978 MPa，抗拉強度為1 002 MPa，斷面收縮率為12%，沖擊吸收能量為58 J。試樣的化學(xué)成分如表1所示。 

1.2   試驗方法

超聲波殘余應(yīng)力測試嚴(yán)格依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32073—2015進行。試驗采用HS1010型便攜式超聲波殘余應(yīng)力測試儀，配置2.25 MHz探頭，探測深度為2.8 mm。試驗前，首先按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求完成BS960E鋼的超聲殘余應(yīng)力標(biāo)定參數(shù)K的測定。具體方法為：對如圖1所示的去應(yīng)力標(biāo)定拉伸試樣進行分級加載，通過建立超聲波聲速與外加應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系曲線，獲得標(biāo)定參數(shù)。超聲殘余應(yīng)力測試采用多點測量方案，具體測點分布如圖2所示。 

圖  1  超聲波殘余應(yīng)力測試標(biāo)定試樣結(jié)構(gòu)示意

圖  2  BS960E鋼板上超聲波殘余應(yīng)力測點分布示意

2.   試驗結(jié)果與討論

2.1   表面氧化鐵皮的影響

為系統(tǒng)研究表面狀態(tài)對測試結(jié)果的影響，對熱軋鋼板試樣進行3種不同工藝的表面處理：保持原始表面狀態(tài)（表面粗糙度不大于3.2 μm）、采用180目砂紙打磨去除表面浮灰和氧化鐵皮（表面粗糙度不大于2.0 μm），并實施機械拋光處理（表面粗糙度不大于0.6 μm）。不同表面處理方法超聲波殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，3種表面狀態(tài)下的鋼板殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)顯著差異。 

圖  3  不同表面處理方法超聲波殘余應(yīng)力測試結(jié)果

氧化鐵皮的存在會顯著影響超聲波殘余應(yīng)力測試的準(zhǔn)確性，其作用機制主要體現(xiàn)在3個方面：① 結(jié)構(gòu)疏松的氧化鐵皮會顯著增大測試表面的有效粗糙度；② 氧化鐵皮的不規(guī)則表面會導(dǎo)致耦合劑膜厚均勻性產(chǎn)生明顯波動；③ 超聲波在氧化鐵皮與鋼基體這兩種介質(zhì)中的傳播速度存在本質(zhì)差異。這些因素的協(xié)同作用使得原始表面狀態(tài)下的殘余應(yīng)力測試結(jié)果呈現(xiàn)出顯著的正負波動特征，測試數(shù)據(jù)的離散程度明顯高于經(jīng)過表面處理的試樣。 

砂紙打磨處理可有效改善試樣表面狀態(tài)，其作用主要體現(xiàn)在3個方面：① 表面粗糙度顯著降低（表面粗糙度不大于2.0 μm）；② 完全去除了氧化鐵皮的干擾；③ 使超聲波能夠直接作用于鋼基體。 

經(jīng)測試，處理后試樣表面殘余應(yīng)力呈現(xiàn)3個變化特征：① 全部轉(zhuǎn)為負值；② 分布均勻性顯著提高；③ 平均值達到-63.8 MPa，較原始表面-29.3 MPa增大了118%。進一步機械拋光處理后，殘余應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)新的變化特征，一方面平均值增大至-104.6 MPa（最大單點值達-245.8 MPa），另一方面數(shù)據(jù)離散性增大并超過原始表面。通過X射線衍射對比分析發(fā)現(xiàn)，機械拋光過程會引入新的不均勻壓應(yīng)力（增量約為-200~-350 MPa），這種應(yīng)力變化具有明顯的時變特性，且會對超聲波在2.8 mm探測深度范圍內(nèi)的測試結(jié)果產(chǎn)生顯著的累積效應(yīng)。綜合分析表明，適度的表面處理（如砂紙打磨）可有效提高測試準(zhǔn)確性，但過度處理（如機械拋光）反而會引入新的干擾因素。 

在實際測量中，機械拋光會破壞鋼板交貨狀態(tài)并影響測試精度，因此建議僅用粒度為180目（1目=25.4 mm）的砂紙去除表面氧化鐵皮和浮灰。該方法操作簡便，既能保證測試精度，又可保持材料的原始狀態(tài)。 

2.2   耦合劑類型的影響

在超聲波殘余應(yīng)力測試過程中，工程現(xiàn)場使用水作為耦合劑。然而，對于熱軋鋼板而言，水耦合會導(dǎo)致鋼板表面產(chǎn)生銹蝕，影響產(chǎn)品的交付質(zhì)量。徐麗霞等[9]對比研究了水、甘油、機油和空氣4種耦合方式，甘油具有最高的聲阻抗，值為24.3×105 kg/(m2·s)，而機油的聲衰減率最低，值為330 dB/cm，均適合作為超聲波耦合介質(zhì)。其中，甘油作為耦合劑時，臨界折射縱波（LCR波）衰減最小，測試精度最佳。 

筆者進一步擴展了耦合劑的對比范圍，在原有3種耦合劑的基礎(chǔ)上新增黃油、醫(yī)用超聲耦合劑等6種耦合方式。通過對同一測點進行5次重復(fù)測試，獲得不同耦合劑下的殘余應(yīng)力測試結(jié)果（見表2）。由表2可知：黃油黏度過高，會導(dǎo)致耦合界面填充不均，其LCR波聲時較機油延遲約20 ns；體積比為1∶1的凡士林與乙醇混合溶液的測試結(jié)果相近，但與機油存在約30%的偏差；醫(yī)用超聲耦合劑測試值較機油低50%，而護膚甘油和甘油、乙醇混合溶液的流動性過強，導(dǎo)致膜厚不穩(wěn)定。X射線逐層剝離法測得3 mm深度平均殘余應(yīng)力為-60.8 MPa，對比顯示水和機油測試結(jié)果最接近該基準(zhǔn)值。綜合考慮防銹性能、測試精度和操作便利性，推薦優(yōu)先選用機油作為耦合劑，甘油、凡士林及其混合物可作為備選方案。 

2.3   耦合劑膜厚的影響

在采用機油作為耦合劑的基礎(chǔ)上，重點考察了耦合劑膜厚對測試結(jié)果的影響機制。研究發(fā)現(xiàn)，未受控的隨機膜厚會導(dǎo)致兩個關(guān)鍵問題：一是單點測試重復(fù)性顯著降低（標(biāo)準(zhǔn)偏差超過±15 MPa），二是平面應(yīng)力場解析數(shù)據(jù)的空間一致性變差（離散度增大40%以上）。為解決這一問題，創(chuàng)新性地開發(fā)了膜厚控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在探頭下方集成可更換的沉頭限位裝置（提供0.5，0.75，1.0 mm的3種精確厚度控制），配合探頭上方1 kg配重塊的壓力調(diào)節(jié)，經(jīng)由精密加工的排液通道實現(xiàn)耦合劑膜厚的主動調(diào)控。實驗證實，該控制系統(tǒng)可將膜厚波動控制在-0.05~0.05 mm，使單點測試重復(fù)性提升至-5~5 MPa，平面應(yīng)力分布測試的離散度降低至8%以下，顯著提升了二維殘余應(yīng)力場表征的工程適用性。 

表3為同一測點在隨機膜厚及0.5，0.75，1.0 mm控制膜厚條件下的超聲波殘余應(yīng)力測試結(jié)果，圖4為不同耦合劑膜厚時的超聲波殘余應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明：在未控制膜厚的隨機試驗中，殘余應(yīng)力測試值波動最大，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差高達48.9%；而采用控制膜厚方法后，數(shù)據(jù)離散性均控制在5%以內(nèi)。隨著膜厚的增加，殘余應(yīng)力測試結(jié)果分別增大了14.1%和27.2%。值得注意的是，當(dāng)膜厚減小至0.5 mm以下時，殘余應(yīng)力均值是否繼續(xù)減小尚需進一步研究。目前，因制造難度較大，暫未訂制出小于0.5 mm定膜厚控制的沉頭裝置，暫未開展相關(guān)試驗驗證。 

圖  4  不同耦合劑膜厚時的超聲波殘余應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果

2.4   設(shè)備精度的影響

研究升級了超聲殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，探頭超聲縱波傳播時間測量精度從1 ns提升至0.2 ns。理論上，當(dāng)鋼材標(biāo)定參數(shù)為10 MPa/ns時，測試精度可從±10 MPa提升至±2 MPa。但實際測試中，殘余應(yīng)力仍存在較大波動，主要受以下因素的影響：表面氧化鐵皮不均勻性、耦合劑膜厚控制精度、材料顯微組織差異和環(huán)境溫度波動。這些因素的綜合影響導(dǎo)致實際測試精度低于理論值。后續(xù)將針對這些干擾因素開發(fā)補償方法，以充分發(fā)揮設(shè)備升級的精度優(yōu)勢。不同聲時精度下的超聲殘余應(yīng)力測試結(jié)果如表4~6所示。 

試驗數(shù)據(jù)顯示，聲時差的最大波動值分別為3.8 ns和0.8 ns，顯著高于理論聲時精度下限。相應(yīng)地，殘余應(yīng)力最大波動達到36.8 MPa和7.8 MPa。設(shè)備聲時精度的提升使超聲波殘余應(yīng)力測試精度顯著提高約5倍，單點測試重復(fù)性可穩(wěn)定控制在-5~5 MPa。 

2.5   人員操作差異的影響

不同操作人員在開展超聲殘余應(yīng)力測試時，鋼板測點定位偏差、耦合劑膜厚控制差異及保壓時間不一致等因素均會使測試結(jié)果出現(xiàn)顯著偏差。為確保測試結(jié)果的可靠性，規(guī)范化的操作流程至關(guān)重要。在嚴(yán)格控制被測點位、耦合劑膜厚、保壓時間的情況下，對比了3名試驗員對BS960E鋼板軋向和橫向9個測點的殘余應(yīng)力測試結(jié)果，具體數(shù)據(jù)如圖5（軋向）和圖6（橫向）所示。 

圖  5  不同試驗員實測軋向殘余應(yīng)力

圖  6  不同試驗員實測橫向殘余應(yīng)力

在規(guī)范操作流程的條件下，3名測試人員獲得的殘余應(yīng)力測試結(jié)果具有良好的一致性。具體數(shù)據(jù)表現(xiàn)為：軋向殘余應(yīng)力平均值分別為-86.1，-84.9，-87.2 MPa；橫向殘余應(yīng)力平均值分別為-59.6，-62.7，-60.0 MPa，各平均值偏差均控制在5 MPa以內(nèi)。 

由圖5，6可知：鋼板邊緣和中部區(qū)域的殘余應(yīng)力變化趨勢展現(xiàn)出良好的測試重復(fù)性。雖然部分單點測試結(jié)果仍存在-5~5 MPa的偏差，表明超聲波法的單點測試重復(fù)性尚需進一步優(yōu)化，但當(dāng)前測試精度已完全滿足指導(dǎo)鋼板板形生產(chǎn)工藝調(diào)控的工程需求。 

3.   結(jié)論

（1）表面氧化鐵皮對測試精度的影響顯著。雖然機械拋光可提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，但會引入200~350 MPa的額外壓應(yīng)力，并破壞鋼板的交貨狀態(tài)。建議采用180目砂紙打磨去除氧化鐵皮和浮灰，該方法既能保證測試精度又可維持材料的原始狀態(tài)。 

（2）耦合劑優(yōu)選方面，機油因具有低聲衰減率和優(yōu)異的防銹性能，被推薦為首選耦合劑；甘油和凡士林可作為備選方案；而黃油的黏度過高，導(dǎo)致界面填充不均，會使LCR波聲時延遲約20 ns，不適用于殘余應(yīng)力測試。 

（3）耦合劑膜厚控制至關(guān)重要。測試結(jié)果表明，隨機膜厚條件下的數(shù)據(jù)離散性高達48.9%，而采用沉頭裝置將膜厚精確控制在0.5~1.0 mm時，離散性可降至5%以下，測試重復(fù)性顯著提高。 

（4）設(shè)備精度提升效果顯著。將聲時測量精度從1 ns提升至0.2 ns后，殘余應(yīng)力單點測試的標(biāo)準(zhǔn)偏差從±20 MPa降至±5 MPa，精度提升約4倍，大幅提高了測試可靠性。 

（5）人員操作規(guī)范化成效明顯。通過統(tǒng)一測點定位、固定耦合劑膜厚和標(biāo)準(zhǔn)化保壓時間等措施，不同操作人員測試結(jié)果的平均值偏差可控制在-5~5 MPa。雖然部分單點仍存在-5~5 MPa的偏差，但當(dāng)前精度已完全滿足工業(yè)生產(chǎn)調(diào)控需求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)