（材料学专业论文）离心球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 离心铸造比其它工艺方法生产的球铁管具有管壁薄、韧性好、强度高和耐蚀等优点 被广泛应用于城镇供水、供气等工程项目。因其产量在不断扩大，离心球铁管的质量检 测与控制也引起了人们的重视。其中球化率和管壁厚的检测尤为重要，因为球化率直接 影响球铁的机械性能；而管壁厚不均匀或局部过薄则极易引起局部承载能力下降，导致 爆管事故。 在一定的温度下，球墨铸铁的球化率和纵波声速的线性关系已经被大家所认同，长 期以来，人们一直试图将超声声速法检测球化率的方法应用于离心球铁管的球化率检 测，但由于管形铸件的特殊形状，在声路设置和声程的确定上受到管壁厚的影响，存在 相当大的困难。 本文利用专门设计的探头架，让主声束在管壁内弦长方向传播，对离心球铁管横波 声速进行了测试，得到了室温下横波声速与球化率的线性关系，并用于离心球铁管球化 率超声无损检测，该方法克服了管壁厚度对声速检测的影响。在生产现场检测过程中， 各个管壁温度不均，考虑到温度对声速的影响，本研究还测试了从室温到1 6 0 范围内 声速随管壁温度的变化规律，结果表明，横波声速随着温度升高而线性降低，并且声速 的温度系数基本不受球化率的影响。据此，可将各个温度下测得的横波声速换算成室温 下的声速，进而排除管壁温度对球化率检测的影响。 另外，管壁厚度也是影响球铁管质量的重要因素，而管壁厚度除了管两端外，很难 用量具测量，为此，我们对在一定生产条件( 相同铁液成分、相同基体状态等) 下生产 的球墨铸铁管的横纵波分别进行测量，得到其横纵波转化系数，将用前述方法测量的超 声横波声速转化为纵波声速，用反射法测量了球铁管的厚度。 一次将球铁管的球化率和壁厚同时测量，可以对球铁管的质量进行综合评定。通过 在生产现场应用此装置对球化率和厚度进行了测量，结果表明，基本符合生产上的要求。 关键词：离心球铁管；温度；球化率；横波声速；壁厚 离, o r 墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 s t u d y o nt h en o d u l a r i t ya n dt h i c k n e s so f c e n t r i f u g a ln o d u l a rc a s t i r o n p i p eu s i n g u l t r a s o n i ct e s t i n gm e t h o d a b s t r a e t c e n t r i f u g a ln o d u l a ri r o np i p eh a sb e e nw i d e l yu s e di nu r b a nw a t e rs u p p l y ，g a ss u p p l ye r e p r o j e c tf o ri t sa d v a n d a g e ss u c h 雒t h i n e rw a l l ，b e t t e rt o u g h n e s s ，h i g h e rs t r e n g t ha n db e t t e r c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds oo nt h a ni r o np i p em a d ef i o mo t h e rp r o c e s s w i t ht h ee x p a n do f p r o d u c t i o ni n c r e a s i n g l y ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h eq u a l i t yi n s p e c t i o na n dc o n t r o lo f c e n t r i f u g a ln o d u l a ri r o np i p e i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt ot e s tn o d u l a r i t ya n dt h et h i c k n e s s f o rn o d u l a r i t yh a si m p a c to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi r o np i p ed i r e c t l ya n dt h i c k n e s so fp i p e w a l li su n e v e no rp a r to fp i p ew a l li st o ot h i nw i l tc a l l s ct h ep a r t i a ll o a dc a p a c i t yd e c l i n e t h e n l e a dt oa c c i d e n to f e x p l o s i o n w i t ht h et e m p e r a t u r ef i x e d , t h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e “v e e nt h en o d u l a r i t ya n du l t r a s o n i c v e l o c i t yh a v ea l r e a d yb e e ni d e n t i f i c a t i o nb yp e o p l e f o ral o n gt i m e , p e o p l ew e r et r y i n gt ot e s t t h en o d u l a r i t yo ft h ec e n t r i f u g a t es p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o np i p e b u t , t h e r ea r em u l t i p l eo f d i f f i c u l t i e s 鹊t h es p e c i a ls h a p eo f t h ep i p ei nt h es e t t l e m e n to f t h es o u n dt r a v e la n dt h es o u n d p a t h t h i sp a p e rt e s tt h eu l t r a s o n i ct r a n s v e r s a lw a v ev e l o c i t yo ft h ec e n t r i f u g a t es p h e r o i d a l g r a p h i t ei r o np i p e ，m a k i n gt h em a i nw a v et r a n s m i t t i n gt h r o u g ht h ec h o r do ft h ep i p eb yt h e s p e c i f i cd e s i g n i n gp r o b ed e v i c e t h el i n e a rr e l a f i o m h i po ft h en o d u l a r i t ya n dt h et r a n s v e r s a l v e l o c i t y i nr o o mt e m p e r a t u r ei so b t a i n e d , a n dt h i sm e t h o di su s e di nt h eu l t r a s o n i c n o n - d e s t r u c t i v et e s to ft h en o d u l a r i t yo fc e n 蝴es p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o np i p e t h i s m e t h o da g a l n s t st h ei n f l u e n c eo f t h ep i p et h i c k n e s st ot h et e s to f t h ev e l o c i t y c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to ft h et e m p e m t t t r et ot h ev e l o c i t y ，t h i ss t u d ya l s ot e s tt h el a wb c t w e a lt h ev e l o c i t ya n d t h et e m p e r a t u r ef r o mr o o mt e m p e r a t u r et o1 6 0 1 2 t h er e s u l ts h o w st h a t , t h ev e l o c i t yl i n e a r l y d e c l i n e da st h er i s i n go ft h et e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e m t t t r ec o e f f i c i e n to fv e l o c i t ys e e m st o 1 1 0r e l a t i o n s h i pw i t ht h en o d u l a r i t y a c c o r d i n gt ot h i s ，t h ev e l o c i t yo fv a r i o u st e m p e r a t u r ec a n b ec o n v e r t e dt ot h ev e l o c i t yo fr o o mt e m p e r a t u r e , t h e nt h en o d u l a r i t yw i t h o mt e m p e r a t u r e e f f e c tc a nb eo b t a i n e d t h et h i c k n e s si sa l s oa i m p o r t a n tf a v o r o f t h ep i p eq u a l i t y , b u tt h et h i c k n e s so f t h ep i p ei s d i f f i c u l tt om 翩阻l 饽w i t hm 锄r h l gt o o lu n l e s st w oe n do ft h ep i p e s ow em e a s u r e i i 大连理工大学硕士学位论文 t r a n s v e r s a lw a v cv e l o c i t ya n dl o n g i t a lw a v ev e l o c i t yo fn o d u l a ri r o np i p es e p a r a t e l yw h i c h p r o d u c tu n d e rc e r t a i n 删u o t i o nc o n d i t i o n s ( t h es a n l ei n g r e d i e n t so f i r o nl i q u i d , t h es a m e s t a t e o f r o a n i xe t c ) ，a n dg e ti 埝h a , 1 1 s l ；e rc o e f f i c i e n to f m m s v e r s a lw a v ev e l o c i t ya n dl o n # t a lw a v e v e l o c i t y ，w ec o n v e r tt h et r a n s v e r s a lv e l o c i t yt ol o n g i t a lv e l o c i t y , t h e nm e a s u r et h et h i c k n e s so f t h ep i p eu s i n gt h er e f l o c t i o nm e t h o d s ow ec o n v e r tt h et r a n s v e r s a lv e l o c i t yt ol o n g i t a lv e l o c i t y , t h e nm e a s u r et h et h i c k n e s so f t h ep i p eu s i n gt h er e f l e c t i o nm e t h o d t h en o d u l a r i t ya n dt h i c k n e s sa r em c a 删a tt h es a n l et i m e , t h e nt h eq u a l i t yo ft h ep i p ei s i n t e r 蓼a t ee v a h a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti tm e e tp r o d u c t i e nr e q u i m m e n t sb y戤m 凼g t h e n o d u l a r i t ya n d t h et h i c k n e s se m p l o y e dt h i sd e v i c ei nt h ep r o d u c t i o nf i e l d k e yw o r d s ： c e n t f i f u g a t es p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o np i p e ； u l u 粥o n i ct r a n s v e r s a lw a v ev e l o c i t y ；p i p et h i c k n e s s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注舜口致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盈垫煞日期：丝z 丛：型 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：董蛰瑾作者签名：奄蛰瑾 导师签名：圈 大连理工大学硕士学位论文 引言 上世纪三十年代，人们发现球墨铸铁，其优异的机械性能立即得到工程界的青睐， 应用领域和生产规模不断扩大。五十年代出现离心球铁管，由于离心铸造的浇注和凝固 过程始终受到离心力的作用，从而极大地减少了管壁内的夹渣、缩孔和疏松等缺陷，因 此离心球铁管比其它工艺方法生产的球铁管具有管壁薄、韧性好、强度高和耐蚀等优点。 伴随现代化城镇建设速度的加快，供水、供气等工程项目对离心球铁管的需求曰益增加， 其产量也在不断扩大。据2 0 0 6 年统计，世界上有2 0 多个国家的铸管厂在生产离心球铁 管，年产量在7 0 0 万吨以上。 随着生产规模和产量的扩大，离心球铁管的质量检测与控制也引起了人们的重视。 其中球化率和管壁厚的检测尤为重要，因为球化率直接影响球铁的机械性能；而管壁厚 不均匀或局部过薄则极易引起局部承载能力下降，导致爆管事故。 目前，国内多数生产厂家对离心球铁管的质量检测主要采用炉前成分检验、金相检 查、打压实验，压痕检验及机械性能测试等常规方法。虽然这些方法对离心球铁管的质 量控制有一定效果，但这些方法要么属于破坏性检验；要么检测效率太低。因此，检测 的覆盖率和速度很难满足生产要求。 超声无损检测铸件球化率是上世纪七十年代由德、美等国兴起的，八、九十年代传 入我国，并成功应用于球铁汽车零部件的检测。但是，由于球铁管特殊的形状，该方法 应用于离心球铁管质量检测的效果并不理想，一直未能推广普及。 本研究通过对声程进行优化设计，得到了一种测量离心球铁管球化率和壁厚的方 法，此方法在实验室中得到了验证，正在努力争取能达到生产上对球铁管检测的要求。 离心球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 1绪论 1 1 国内外离心球铁管应用 1 1 1 离心球铁管的发展简史 1 9 4 7 年，人们发现了铸态下呈球状石墨的铸铁；1 9 4 8 年，制得了球墨铸铁。但是， 球墨铸铁正式被确认是在1 9 4 9 年4 月，并开始投入工业生产。从1 9 5 9 年左右起，产量 迅速增加，至今，球墨铸铁在工业上应用甚广【1 1 。球墨铸铁之所以有优良的性能，是因 为它没有屈服点，在比例极限以上的应力应变曲线呈连续渐变f 2 】。球墨铸铁自其被发 现以来，主要是与锻钢件、冲压钢件竞争。例如美国有4 0 的球墨铸铁件是代替钢件、 冲压件和焊接件，并代替了2 5 的可锻铸铁件、2 0 的灰铸铁件和1 5 的铸钢件【3 】。 2 0 世纪5 0 年代初出现了球墨铸铁管。球墨铸铁管的铸造方法多为连续铸造法和离 心铸造法。离心铸造是将熔融的金属液浇注到正在旋转的铸型中，在离心力的作用下金 属液体均匀分布满铸型并随之转动，最后凝固成铸件的一种铸造方法。在离心铸造时， 金属液在离心力的作用下结晶会使铸件组织致密，气体和融渣容易析出到自由表面，能 使铸件的夹渣、缩孔等缺陷减少【4 1 。因此离心铸造球墨铸铁管比一般的球铁管性能更为 优良。离心球铁管作为一种新型优质管材，适应了现代城镇供水、输气建设工程的需求， 具备管壁薄、韧性好、强度高、耐腐蚀、施工方便等优点，具有铁的本质、钢的性能。 凭借其优越的机械性能，离心球铁管可以很好地适用于输水、输气等方面。国外工业发 达国家从上个世纪6 0 年代开始逐渐淘汰普通灰铁管，普遍采用球铁管，到7 0 年代中期 基本完成球铁管代替灰铁管的更新换代过程。我国从上世纪八十年代中期开始引进离心 铸管技术及设备，经过近二十年的发展，现已形成较大的市场规模。 据2 0 0 6 年统计，世界上已有2 0 多个国家生产球墨铸铁管，较大的生产商主要集中 在法、美、德、日本、澳大利亚等西方工业发达国家以及中国、印度、巴西几个主要发 展中国家。世界上，包括中国在内约有近百家球墨铸铁管生产企业，球墨铸铁管产量大 于l o 万吨的公司约有1 6 家，这1 6 家大公司拥有近4 0 家生产厂，其产量约占世界总产 量的8 5 左右。我国铸管总产量已经连续5 年占世界第一。新兴铸管股份有限公司目前 以年产1 1 0 万吨的产量排名世界铸管行业第二位，直追排名世界铸管第一位的法国莫松 桥公司。 1 1 2 国内离心球铁管的生产状况 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 铸铁管是供水管网中使用量最多的一种管材。据2 0 0 6 年统计数字，世界上每年铸 铁管的产量7 0 0 多万吨，并每年以3 的速度递增。我国已经是铸铁管大国，但铸铁管 企业规模小、集中度低、尺寸精度低、附加值低、整体铸造技术与设备相对落后，清洁 生产与环境保护意识差、能耗大、企业管理水平相对滞后。目前，随着我国经济发展， 西部开发战略的实施，南水北调、西气东输、老城市管网改造日增，球墨铸铁管逐步扩 张的使用领域令人乐观。 一 2 0 0 7 年1 - 9 月份，新兴铸管累计完成铸管及管件7 6 0 2 万吨。此外，公司最近与四 川川建管道有限公司签订重组意向书，新兴铸管以货币资金对川建管道进行增资，增资 后将拥有川建管道不少于5 5 的股权。安阳钢铁铸管厂前八个月主要产品产量也大幅增 长，实现销售收入2 0 2 6 亿元，实现利税1 9 9 7 亿元，利润8 0 7 亿元，预计全年销售收 入将突破3 0 0 亿元；北台钢铁集团铸管厂也开始转变经济发展方式，把目光瞄准在“三 降”上，即降低能源消耗、降低污染物排放、降低资源利用量；北京首钢则坚持“三创”， 创新提升管理效能，创优打造一流产品，创业崛起新基地。济钢铸管公司把“严、勤、 细、实”的工作作风运用到销售的各个环节，发挥整体优势，打造“济钢铸管”品牌， 全力冲刺铸管行业“前三甲”。 我国有铸管厂2 0 0 多家，年产量约1 2 0 多万吨，国外现年产量约6 0 0 万吨，产品规 格为d n 5 0 2 9 0 0 m m 。全行业现在共有2 4 万个企业，其中规模以上企业增长迅速。我 国铸铁管绝大部分用于国内消费，只有1 0 用于出口，进口甚少，出口铸铁管大多技术 含量低、价格便宜，而进口铸铁管多数是目前国内生产不了的某些高档产品或是国内急 需的短线产品。当前我国铸铁管制造行业由民营企业占统治地位、外资企业较少，国有 企业也基本退尽，但外资企业基本处于高端产品市场，且有加速向中国转移生产之势。 铸铁管由于产品种类、管径大小和接口形式不一，故品种十分繁多，同一品种的管 件生产批量不大。管件产量占铸管产量的8 左右，年产量约1 0 多万吨。全国管件生产 厂有2 0 0 多家，平均每个厂点仅4 0 0 5 0 0 吨年。由于规模小、产量低、布局分散，难 以采用先进技术和装备组织大批量流水生产，所以管件的尺寸精度和内在质量均较低【1 1 。 1 2 离心球铁管的检测方法 1 2 1 金相法 为了保证球铁件的产品质量，生产企业目前对铁素体基体高韧性球墨铸铁的检查， 是按机械部“稀土球墨铸铁金相标准”j b l 8 0 2 做金相检查。金相法需要人工操作，不 适应于生产线上的检测，只能进行小批量的样品检测。而且金相分析时仅在定期抽查的 试样某个表面上研究组织，并不能保证铸件在所有截面内具有给定的组织和性能，而且 离心球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 这种方法是破坏性检测方法。有些生产厂家在铸造生产时，在铸件的冒口部位故意铸出 一个试样用于金相检测，以达到不破坏铸件的目的。但是由于铸件的组织状态受铸件尺 寸影响程度大，即使试样经检验全部合格，也不能保证铸件本身全部合格。此外，该方 法花费时间长，劳动量大，在每天常规评定球铁的质量时造成一系列不便。因此，金相 法不是一种理想的检测方法。 1 2 2 机械法 当球铁的碳当量较高，且一旦不球化，成为灰口铸铁时，其力学性能和机械性能将 大幅度下降【3 】，因此对球铁管球化率的检测必不可少。 机械性能试验需要较为复杂的设备，检测周期较长。实际生产证明，只有当球铁件 的球化率达到某一级别时，机械性能才能达到要求。在实际检验中，生产企业对铸件的 金相试验为每批抽查，丽机械性能按每周或每月抽查，不能对产品1 0 0 检测。而且， 这种方法仍然是破坏性检测方法。 由于球铁生产本身的特点，每包铁水受成分和铁水温度等因素影响，球化效果和球 化衰退差异较大，且抽查带有随机性，常造成误判。为了保证出厂产品质量，提高企业 效益，适应中国加入w t o 的要求，满足外商对产品质量的严格要求，特别是对像汽车 的保安件那样的关键部件，均需1 0 0 检测，显然用以上抽查的方法都是难以实现的i s 。 1 2 3 声波法 有关声波测试系统的利用已有很多报道，其原理是确定相关于部件弹性模量的共振 频率，其关系式为： e ：4 f 2 l 2 d ( 1 1 ) b = 一 u 1 ， g 式中：删性模量；，_ 基波共振频率c s ；州样长度；嗍样密度；g 一重 力加速度。 球化率和部件共振频率函数呈一定的曲线，这样就可以通过测定部件的共振频率来 确定部件的球化率。但是，由公式可以看出，试样长度对共振频率影响是比较大的，因 此在用这种方法检测时，必须要保持试样长度严格相等，而且在检测每个部件之前都必 须确定其校准曲线，这就造成了该种方法应用于实际生产的局限性嘲。 另外，用敲击发出声响来判断机械零件的质量已有悠久的历史和广泛的应用。用敲 击方法和换能器、频率计来测量发声频率从而判断球铁曲轴球化率，在东风汽车集团公 大连理工大学硕士学位论文 司已有成功的范例，但只能人工操作。而较小的工件，由于敲击时声能小、衰减快，无 法对频率进行精确测量【“川，这种方法在很多方面也受到限制。 1 2 4 测厚仪( 声速) 法 超声波测厚仪虽然具有体积小、重量轻、携带方便、操作简单等特点，采用“反射 脉冲”原理工作，也就是测试从零件底部反射的超声波的精确时间。仪器使用前，必须 用标准试块校正仪器的零位，而且测试面应比较光洁、平整，并与底面基本平行。定量 检测时，需用卡尺准确测定测试点的厚度，然后把得到的数据输入仪器，得到该零件的 声速值，根据声速值与球化级别的对应关系，得知该铸件的球化级别。但是在实际生产 中，尤其是离心球铁管这样的工件，只能测得管两端的真实厚度，对于管子中间区域的 厚度无法测量，加上管壁厚度是不均匀的，这种方法的使用就受到了限制【9 】。 1 3 超声波法检测球墨铸铁球化率 一些传统的检测方法如金相检验法、经验判断法、试样判断法、铁水及处理过程的 直观判断法检测速度较慢，劳动量大，已经不能适应现代化生产的需要。现如今球铁管 的检测方法可以说是多种多样，新方法新技术也层出不穷，如热分析法、共晶膨胀率法、 相对导热率法、振动检测法等，但是最有发展前途的还是超声波法。 在1 9 4 0 年美国密执安大学的f a f i r e s t o n e 发明了超声波反射仪( u l t r a s o n i c r e f l e e t o s c o p e ) 。他是现代化超声脉冲发射仪的先驱，由此引起了超声波试验可以测定 材料中缺陷深度和大小方面的革新。1 9 7 3 年在第七届国际无损检测会议上，德国的 b o b b i n , j e 发表的论文中，介绍了第一代用于球墨铸铁自动检测声速仪的情况。随后， 1 9 7 4 年美国f o u n d r y 杂志报道了m e a d 公司的l y n c h b u r y 铸造厂，成功地应用超声声速 法测定球铁汽车零件球化率的情况，文中说，球墨铸铁不是匀质材料，在这种材料中超 声传播速度受石墨大小、形态和分布情况的影响；并与铸件是否经过热处理有关。如果 石墨大小和分布相对固定，则声速值将随着石墨形态而改变t 1 0 1 。有为数不少的文献中介 绍的方法是用机械加工的方法先获取棒状或块状等能精确测量声程的试样，然后用反射 法或者透射法来测量声速，找出球化率和声速之间的关系，这些关系都证明了同一个问 题，即超声纵波声速和球化率之间存在较好的线性关系。随后，大量的重复性实验均证 明，在一定温度下，球铁的球化率与超声声速之间确实存在着近似的线性关系t 2 , 3 棚，这 自然成为球墨铸铁球化率超声无损检测的基本原理。 现已发现，对无损检测方法的指标影响最大的是石墨形态。当球化率 8 0 时，超 声纵波声速大约为5 6 0 0 m s ，声速随着球化率的降低而降低，当球化率降至3 0 时，纵 波声速大约为5 2 0 0 m s ，当球化率降至3 0 0 以下时，纵波声速下降特别快，可以降低到 一5 一 离心球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 4 2 0 0 m s ，其实此时的铸铁早己不能称为球墨铸铁了，而是其中石墨以片状形式存在的 灰铸铁【1 1 l 。 为评定球墨铸铁的组织和机械性能，应用超声波无损检测方法是发展趋势。有关文 献表明，与其它方法相比，它的特点是具有较高的灵敏度，而且可以对检测对象实施 1 0 0 的检测【1 2 1 。 目前检测球墨铸铁球化率多用超声纵波无损检测方法，对于一些容易测得具体尺寸 的工件，用反射法或透射法比较容易测得其声速，金相检测按国标g b 9 4 4 1 8 8 球墨铸铁 金相检验标准进而得到其球化率，得到纵波声速与球化率之间的关系，此检测方法在某 些方面已经相当成熟，而且有些检测仪器已经商品化。 但是这样的方法用于球铁管的检测还不是很成熟，有的还只处于实验研究阶段，在 实际检测中应用较少。也有的实验是用管状试样，声程设计般如下图所示。在这个设 计中有三个变量：声程、声时以及声速，而声速和球化率之间又存在着确切的线性关系。 声程的确定必须以能比较精确地确定管壁的厚度为前提，然后才能根据管子的内外径的 数值计算出声程。确定声程以后，通过测量声时就可以计算出声速值。如果壁厚不能确 定，声程就无法确定，根据测定的声时就无法准确计算声速。尤其是对于薄壁管来说， 壁厚的微小差别可能导致声程的很大偏差，进而导致检测结果偏差很大，造成检测失败。 姥昌冽 图1 1 传统的管状件声速测量示意图 f i g 1 1d i a 毋蜘o f v e l o c i t y t e s t o f t h ep i p e 长期以来，人们一直试图将超声声速法检测球化率的方法应用于离心球铁管的球化 率检测。但由于管形铸件的特殊形状，在声路设置和声程的确定方面，存在相当大的困 难。另外，在离心球铁管超声无损检测球化率的现场检测过程中，人们希望检测工位尽 量靠前，以尽早检测出球化不良品，减少后续加工，降低成本。但是工位靠前，管壁温 度尚未降至室温，且各管之间的温度未必一致，即使同一根管，温度也未必均匀。而管 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 壁温度对超声声速值有一定的影响，也就是球化率和管壁温度两者同时影响着声速的变 化，这就造成球化率检测的不准确。因此，针对离心球铁管，寻求一种科学合理的声速 检测方案，同时，通过实验明确温度对超声声速的影响规律，把不同管壁温度下的超声 声速统一换算至室温下的声速，再根据声速与球化率的相关性确定其球化率。 医此从球铁管的检测现状来看，还有很多问题有待研究。本研究要通过波型转换使 得管壁中只有横波，避免接收信号受过多杂波的影响，同时为避免壁厚对声程确定的影 响，使横波沿着弦长方向穿过管壁。为了避免温度对声速的影响，测量了温度对声速的 修正系数，可将各个温度下测得的横波声速换算成室温下的声速，进而排除管壁温度对 球化率检测的影响。另外，管壁厚度也是影响球铁管质量的重要因素，而管壁厚度除了 管两端外，很难用量具测量，为此，我们将测量的超声横波声速转化为纵波声速，用反 射法测量了球铁管的厚度。 本研究提出了一种超声横波法测量离心球铁管球化率的方法，并测量了球铁管的厚 度，达到了对离心球铁管质量的综合评定。 离心球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 2 超声检测的理论基础 超声波是超声振动在介质中的传播，是在弹性介质中传播的机械波。超声波无损检 测技术是五种常规检测技术之一，其之所以用于无损检测是由它的特性决定的：( 1 ) 方 向性好；( 2 ) 穿透能力强；( 3 ) 能量高；( 4 ) 遇到界面时，超声波将产生反射、折射和波 型的转换；( 5 ) 对人体无害，这些也正是超声波检测得以迅速发展的原因【1 3 1 。 在超声检测的应用中，除像测量弹性模量或密度之类的材料参量之外【l “5 】，对晶粒 大小1 乒1 8 1 ，第二相粒子【1 明含量以及球化率1 2 0 】的测量方面也有广泛采用的。例如p r a s a d 致力于研究钢中的微观结构与超声的特性之间的关系，w h i l s t c e c h 致力于无损测量铸铁 的机械性能 2 1 1 。这些检测都是以声波的速率和衰减作为研究的工具。本课题就是用超声 声速测量球化率的一个实例。 在超声波检测过程中，常常采用的是脉冲波。由超声波探头发射的超声波脉冲，所 包含的频率成分决定于探头的结构、晶片形式和电子电路中激励脉冲的形状。脉冲又分 为宽脉冲和窄脉冲，宽脉冲是频率近乎单一的脉冲，而窄脉冲探头发射的超声波，在声 束轴线上声压分布则近似于连续激励的情况。 在固体中传播的超声波又可以分为四种类型：横波，纵波，表面波和板波。在超声 无损探伤方面超声纵横波应用的较为广泛，理论方面较成熟，方法也较容易掌握。而在 本研究中所采用的正是利用超声横波进行球化率的测量，纵波进行壁厚的测量。检测原 理简单易懂，操作方法也易学易会，是一种可以投入生产，实际应用的产品。 2 1 超声波的声速 2 1 1 纵波 纵波又称为压缩波或者疏密波，当无限均匀的弹性介质受到交替变化的正弦作用力 的拉压应力作用时，就会相应地产生交替变化的拉伸和压缩变形，质点也就产生疏密相 间的纵向波动。已振动的质点又推动相邻的质点，在介质中继续向前转播。这时，介质 中质点振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，以符号工表示。任何弹性介质 在体积变化时，都会产生弹性力，所以，纵波可以在任何弹性介质( 气体、液体和固体) 中传播。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 横波 横波又叫剪切波，固体介质既具有体积弹性，又具有剪切弹性。因此，当固体介质 受到正弦交变应力作用时，将会产生相应的交变剪切变形，介质质点就产生具有波峰和 波谷的横向振动，并在介质中传播。这时，介质质点的振动方向与波的传播方向相垂直。 这种波称为横波，也称切变波，以符号“r 表示。由于气体和液体不具有剪切弹性， 因此，它们只能传播纵波，而不能传播横波或具有横波分量的其他类型的波。 2 1 3 超声波相速度和群速度 和振动的合成类似，几个频率相同、波速相同、振动方向相同的简谐波叠加后，合 成波仍然是简谐波。但是，不同频率的简谐波叠加后，合成波就不再是简谐波了，一般 比较复杂，故称为复波。介质中有复波产生时，各质元的运动不再是简谐运动，波形图 也不再是余弦曲线。 与几列简谐波可以合成为复波相反，一列任意的波，周期性的甚至非周期性的，如 一个脉冲波，都可以分解为许多简谐波。这一分解所用的数学方法是傅里叶分析吲。 简谐波在介质中的传播速度，即相速度，和介质的种类有关。在有些介质中，不同 频率的简谐波的相速度都一样，这种介质叫无色散介质。在有些介质中，相速度随频率 的不同而改变，这种媒质叫色散介质。在无色散介质中，不同频率的简谐波具有相同的 传播速度，因而合成的复波也以同样的速度传播，而且在传播过程中波形保持不变。在 色散介质中，情况则不同。由于各成分波的相速度不同，因而合成的复波的传播呈现复 杂的情况。下面就两列沿同一方向传播的、振幅相同、频率相近而且相速度差别不大的 两列简谐波的合成作一说明】。 设有两列沿x 轴正向传播的简谐波，其波函数分别为： 乃= 4 c o s ( 叩一毛功 ( 2 1 ) y 2 = a c o s ( r 0 2 t 一七，) ( 2 2 ) 式中：_ | l = 导，岛= 导分别为两列波的波数，而和屹是它们的相速度。这两列 岣u 2 波的合成波为 j ，= 咒+ = 2 a c o s 芦r = 学x ) c o 芦f 一半力( 2 3 ) 令石：堕，i ：互导，咚= 业2 ，k = 生，4 ；2 a c o s ( , , t k s x ) 一9 一 离心球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 则式( 2 3 ) 司写力 y = 2 a c o s ( c o s t k g x ) c o s ( 一a * 一赢) = 以c o s ( 盈一两 ( 2 4 ) 由于q 和哆很相近，所以国g = 鱼：q 或哆，而石* q 或q 。又由于相速度m 和叱 差别不大，所以砖：兰l 手与或屯。这样，由式( 2 4 ) 所表示的合成波就可看成是振 幅4 以频率缓慢变化着而各质元以频率石迅速振动着的波。认准某一确定的相，即 令西一确= 常量，可求得复波的相速度为： 甜；堕：竺( 2 5 ) 栌i 2 i 屹曲 如果忽略两成分波的相速度的差别，这一相速度也就等于成分波的相速度。 由于振幅的变化，合成波显现为一团一团振动向前传播，这样的一团叫一个波群或 波包。波群的运动就由式( 2 4 ) 中的4 表示波群的运动速度叫群速度，它可以通过 令( 哆f k = 常量求得以表示群速度，则 2 害2 卺2 嚣2 篆 汜e ， 在色散介质中随七连续变化而频差很小时，可用警代替等，于是 略= 象 ( 2 7 ) 略2 瓦 z 。 利用甜= 哌= 以和七= 2 的关系，还可以把上式改写为 驴舻a 砉 ( 2 8 ) 对于无色散介质，相速度甜与频率无关，即为常量，与量成正比，于是 ”：! 竺： ( 2 9 ) 2 瓦刮 z 一 即群速f 营等于相速度。对于仁散介质。群速度和相速度可能有很大的著舜i 。 大连理工大学硕士学位论文 信号和能量随着复波传播，其传播速度就是波包移动的速度，即群速度。理想的简 谐波在无限长的时间内始终以同一振幅振动，并不传播信号和能量，和它相对应得相速 度“只表示简谐波中各点相位之间的关系，并不是信号和能量的传播速度。 由波包组成的复波，在无色散或色散不大的介质中传播的情况下，波包具有稳定的 形状。如果介质的色散( 即d ，) 较大，则由于各成分波的相速的显著差异，波包在 传播过程中会逐渐摊平、拉开以致最终弥散小时。这种情况下，群速度的概念也就失去 意义了。 群速度是波包的能量传播速度，也是波包所表达信号的传播速度( 这是在上述假设 的基础上) 。 超声检测所用的脉冲波并非单频波，而是各种频率不同的波构成的复波。在色散介 质中传播时，就要研究其群速度。 2 2 超声的界面效应 2 2 1 超声在界面处的波形转换 当声波从一种介质传播到另一种介质时，其入射方向相对于异质界面而言，可以是 垂直入射，也可以是倾斜入射。当垂直入射时，只有反射和透射；当倾斜入射时，除反 射外，透射波要发生折射现象，同时伴随有波型转换。所谓波型转换，就是在第二介质 中传播的波型已不同于入射的波的波型了，如图2 1 所示。 有一束平面纵波三以声速c l 入射到由特征阻抗z i = p l c l 和z 2 = p2 c 2 的两种介质所构 成的平面界面上的d 点，d 点称为入射点。三称为入射波，入射波的主声束轴线与界 面法线的夹角为a ，称为入射角。根据几何光学原理，声束三入射到平面介面上时，有 一部分反射回第一介质，分别称为反射横波和反射纵波。而另一部分将通过界面，进入 z 2 = p 2 c 2 的第二介质，并且发生波型转换。这时，根据入射角口的大小不同，在第二介 质中传播的波，可能是纵波、横波和表面波，或者兼而有之。在图2 1 中，透过界面后 就是纵波和横波l 这时，工称为折射纵波，丁称为折射横波。届称为纵波折射角，屈 称为横波折射角。可以看出，两种折射波的传播方向是不同的，且都不同于入射波的方 向。根据几何光学的折射定律，折射波的折射角可以按下式确定1 2 5 】： 静0 球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 二l 乏7 k l l ，锄，c t l 1介厦 l 、零、气、 嚏，矬，c 堙 心葺 r l 图2 1 波的折射示意图 f i g 2 1 t h ed i a g r a mo f r e f i a c t i v e 兰咀：堕蛆：堑监 c l lc nc 1 1 厉= s i n 一1 ( 丘s i n 口) 岛1 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 3 , = s i n 一1 ( ! & s i n a )( 2 1 2 ) c ，l 式中，a 入射角； 岛纵波折射角； 尼横波折射角； c n 入射波在第一介质中的声速。 q 2 折射纵波在第二介质中的声速； c f ：折射横波在第二介质中的声速； 当纵波入射时，且在q 。 a ，且届将随着口的增大 而增大。 如图2 2 所示，当屏= 9 0 。时，纵波入射角为第一临界角，以a ，表示。显然，当纵 波入射角q a ，时，第二介质中只有折射横波存在，这种情况为纵波全反射。 大连理工大学硕士学位论文 第一临界角可按下式确定 a ，= s i n 。1 丑( 2 1 3 ) q 2 若c t l a ，肛也随着a 的增大而增大。 如图2 - 2 所示，当成= 9 0 。时，纵波入射角称为第二l 临界角，以表示。并且 = s i n 一1 且( 2 1 4 ) q 2 当纵波入射角等于零的特殊情况下，在第二介质中只有一个与入射方向相同的透射 波，如图2 2 所示。图中a 、卢，、屈分别为纵波入射角、纵波折射角、横波折射角。 当纵波入射时，使得入射角满足a ，- g 口 q ，所以a ， 口，随着a ，的增加，当口，- - 9 0 0 时，介质中只存在反射横波。 此时的横波入射角口，称为第三临界角口。有 口m = 戤s i l l 玉 q 所以当横波入射角大于第三临界角时，横波的反射波全部是横波。 ( 2 1 5 ) 离心球墨铸铁管球化率和壁厚的超声检测研究 2 2 2 超声的散射 当声波在传播路程中遇到尺度可与声波波长比拟或小于声波波长的界面时，就会发 生一系列不同于简单镜面反射的新现象，即散射与绕射。 声教射现象具有如下特点： ( 1 ) 散射使声波向各个方向传播。 ( 2 ) 散射不仅与散射元的声阻抗有关，而且还与散射元的尺度及数目有关。 ( 3 ) 散射现象还与声波频率有关，一般来说，频率增高，散射增强。 从理论上分析散射问题十分繁杂，就由单个刚性球体( 即其声阻抗远大于周围媒质 的声阻抗) 引起声散射的最简单情况而言，理论分析可就三种不同情况给出如下结果： ( 1 ) 当刚性球体直径远远大于声波波长时：入射声波将在球体表面上发生全反射， 球体后边呈明显声影。由此可见，反射只是散射的一种特例。 ( 2 ) 当球体直径远远小于声波波长时：入射声波将被球体均匀地向各个方向散射， 散射波的强度与声波频率的四次方成比例，即遵守瑞利散射。应该指出，通常这种散射 波强度很弱，大部分入射声波的能量几乎对散射元“视而不见”，继续向前传播，声波 这种绕向障碍物后边的现象称又为绕射。 ( 3 ) 当球体直径( d ) 可与声波波长( a ) 相比拟时，散射波强度在散射元四周将 呈现很奇异的空间分布。声散射改变了声波部分能量的传播方向，构成了超声波的散射 衰减。 2 2 3 超声的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱的现象，叫做超声 波的衰减。引起衰减的原因主要有扩散、散射、吸收三种原因。 ( 1 ) 扩散衰减 超声波在介质中传播时，由于衍射或波阵面的扩大等原因，而使声压或