Table 1. BS960E熱軋高強鋼板的化學成分
| 項目 | 質量分數 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Mo | Cr | Ni | Nb | Ti | V | B | |
| 實測值 | 0.17 | 0.10 | 1.20 | 0.012 | 0.001 | 0.45 | 0.29 | 0.017 | 0.028 | 0.021 | 0.038 | 0.001 6 |
分享：熱軋鋼板超聲波殘余應力測試影響因素
隨著鋼鐵行業熱軋板產品日益向高強度、寬幅化方向發展，以及超快冷等熱處理工藝的推廣應用，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力。殘余應力是導致熱軋板出廠時板形不良、用戶使用過程中應用性能不穩定的關鍵因素。因此，必須有效控制鋼板生產過程中的殘余應力，優化用戶制造工藝，以減小殘余應力的影響。
殘余應力調控的基礎在于準確量化表征殘余應力。目前國際上的殘余應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、環切法、中子衍射法和超聲波法等[1-3]。
鋼鐵產品生產制造過程中，無損檢測是確保板材檢測后仍能交付用戶的關鍵。現有方法中，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，目前國內僅少數擁有核反應堆或散裂中子源的國家級機構能夠實施中子衍射法，這些設備屬于重大科研基礎設施，尚未開發出小型便攜設備。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，嚴重影響了現場板形調控的時效性。
近年來，國內超聲波應力檢測技術取得了顯著進展。由北京理工大學牽頭制定的國家標準GB/T 32073—2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》已正式頒布實施，并率先在行業內推出了配套的測試設備。該方法具有4大顯著優勢：① 采用完全無損檢測方式不會對被測構件造成任何損傷；② 檢測效率極高，單點測試時間可控制在10 s以內；③ 具有較大的檢測深度，特別適合內部應力檢測需求；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、耦合劑狀態及環境溫度等因素干擾[8]。徐麗霞等[9]系統研究了殘余應力測量準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等關鍵參數的影響。試驗結果表明：這些因素均可能導致顯著測量偏差，需采用溫度補償系數、表面粗糙度試塊校正及優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力的精度顯著提高。雷正偉等[10]建立了應力測量的溫度-形變-應力關系模型，并通過試驗驗證了溫度和應變修正的重要性。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。這些因素導致超聲波測試殘余應力的精度仍低于X射線衍射法和鉆孔法。因此，需要通過系統研究消除相關干擾因素，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、設備精度及操作人員差異等因素對測試結果的影響規律，旨在為超聲波殘余應力測試技術的標準化應用及工業化推廣提供理論依據和實踐指導。
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。試樣的化學成分如表1所示。
1.2 試驗方法
超聲波殘余應力測試嚴格依據國家標準GB/T 32073—2015進行。試驗采用HS1010型便攜式超聲波殘余應力測試儀，配置2.25 MHz探頭，探測深度為2.8 mm。試驗前，首先按照國家標準要求完成BS960E鋼的超聲殘余應力標定參數K的測定。具體方法為：對如圖1所示的去應力標定拉伸試樣進行分級加載，通過建立超聲波聲速與外加應力的對應關系曲線，獲得標定參數。超聲殘余應力測試采用多點測量方案，具體測點分布如圖2所示。
圖 1 超聲波殘余應力測試標定試樣結構示意
圖 2 BS960E鋼板上超聲波殘余應力測點分布示意
2. 試驗結果與討論
2.1 表面氧化鐵皮的影響
為系統研究表面狀態對測試結果的影響，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（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力測試結果如圖3所示。由圖3可知，3種表面狀態下的鋼板殘余應力分布呈現顯著差異。
圖 3 不同表面處理方法超聲波殘余應力測試結果
氧化鐵皮的存在會顯著影響超聲波殘余應力測試的準確性，其作用機制主要體現在3個方面：① 結構疏松的氧化鐵皮會顯著增大測試表面的有效粗糙度；② 氧化鐵皮的不規則表面會導致耦合劑膜厚均勻性產生明顯波動；③ 超聲波在氧化鐵皮與鋼基體這兩種介質中的傳播速度存在本質差異。這些因素的協同作用使得原始表面狀態下的殘余應力測試結果呈現出顯著的正負波動特征，測試數據的離散程度明顯高于經過表面處理的試樣。
砂紙打磨處理可有效改善試樣表面狀態，其作用主要體現在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。
經測試，處理后試樣表面殘余應力呈現3個變化特征：① 全部轉為負值；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，殘余應力狀態出現新的變化特征，一方面平均值增大至-104.6 MPa（最大單點值達-245.8 MPa），另一方面數據離散性增大并超過原始表面。通過X射線衍射對比分析發現，機械拋光過程會引入新的不均勻壓應力（增量約為-200~-350 MPa），這種應力變化具有明顯的時變特性，且會對超聲波在2.8 mm探測深度范圍內的測試結果產生顯著的累積效應。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。
2.2 耦合劑類型的影響
在超聲波殘余應力測試過程中，工程現場使用水作為耦合劑。然而，對于熱軋鋼板而言，水耦合會導致鋼板表面產生銹蝕，影響產品的交付質量。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。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種耦合劑的基礎上新增黃油、醫用超聲耦合劑等6種耦合方式。通過對同一測點進行5次重復測試，獲得不同耦合劑下的殘余應力測試結果（見表2）。由表2可知：黃油黏度過高，會導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果相近，但與機油存在約30%的偏差；醫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，導致膜厚不穩定。X射線逐層剝離法測得3 mm深度平均殘余應力為-60.8 MPa，對比顯示水和機油測試結果最接近該基準值。綜合考慮防銹性能、測試精度和操作便利性，推薦優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。
Table 2. 不同耦合劑時超聲波殘余應力測試結果
| 耦合劑類型 | 殘余應力測試值 | 平均值 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | ||
| 水 | -65.6 | -60.3 | -63.8 | -67.3 | -67.3 | -64.9 |
| 甘油 | -32.3 | -35.9 | -41.2 | -42.9 | -37.6 | -38.0 |
| 機油 | -60.1 | -68.7 | -63.9 | -67.4 | -67.4 | -65.5 |
| 凡士林 | -37.5 | -42.8 | -46.3 | -48.1 | -55.1 | -46.0 |
| 體積比為1∶1的凡士林與乙醇混合溶液 | -33.9 | -42.8 | -49.8 | -49.8 | -55.0 | -46.3 |
| 黃油 | 128.4 | 134.1 | 136.0 | 147.5 | 155.1 | 140.2 |
| 醫用超聲耦合劑 | -126.8 | -136.8 | -133.5 | -130.1 | -133.5 | -132.1 |
| 護膚甘油 | -7.2 | -3.6 | -7.2 | 0 | 7.3 | -2.1 |
| 體積比為1∶1的甘油與乙醇混合溶液 | -5.5 | -10.9 | -10.9 | -10.9 | -14.6 | -10.6 |
2.3 耦合劑膜厚的影響
在采用機油作為耦合劑的基礎上，重點考察了耦合劑膜厚對測試結果的影響機制。研究發現，未受控的隨機膜厚會導致兩個關鍵問題：一是單點測試重復性顯著降低（標準偏差超過±15 MPa），二是平面應力場解析數據的空間一致性變差（離散度增大40%以上）。為解決這一問題，創新性地開發了膜厚控制系統，該系統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配重塊的壓力調節，經由精密加工的排液通道實現耦合劑膜厚的主動調控。實驗證實，該控制系統可將膜厚波動控制在-0.05~0.05 mm，使單點測試重復性提升至-5~5 MPa，平面應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力測試結果，圖4為不同耦合劑膜厚時的超聲波殘余應力統計結果。結果表明：在未控制膜厚的隨機試驗中，殘余應力測試值波動最大，相對標準偏差高達48.9%；而采用控制膜厚方法后，數據離散性均控制在5%以內。隨著膜厚的增加，殘余應力測試結果分別增大了14.1%和27.2%。值得注意的是，當膜厚減小至0.5 mm以下時，殘余應力均值是否繼續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，暫未開展相關試驗驗證。
Table 3. 不同耦合劑膜厚時超聲波殘余應力測試結果
| 耦合劑膜厚/mm | 殘余應力測試值/MPa | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | |
| 隨機值 | -32.6 | -110.5 | -69.8 | -158.4 | -45.8 |
| 0.50 | -64.5 | -62.6 | -61.5 | -63.4 | -60.8 |
| 0.75 | -68.9 | -68.7 | -75.4 | -74.6 | -69.5 |
| 1.00 | -77.5 | -74.6 | -79.8 | -80.7 | -85.6 |
圖 4 不同耦合劑膜厚時的超聲波殘余應力統計結果
2.4 設備精度的影響
研究升級了超聲殘余應力測試系統，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，當鋼材標定參數為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境溫度波動。這些因素的綜合影響導致實際測試精度低于理論值。后續將針對這些干擾因素開發補償方法，以充分發揮設備升級的精度優勢。不同聲時精度下的超聲殘余應力測試結果如表4~6所示。
Table 4. 不同聲時精度下的實測聲速
| 聲時精度 | 實測聲時 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | |
| 1.0 | 17 022.2 | 17 022.4 | 17 020.6 | 17 024.4 | 17 020.9 |
| 0.2 | 17 020.4 | 17 021.2 | 17 020.7 | 17 020.9 | 17 020.7 |
Table 5. 不同聲時精度下的聲速差
| 聲時精度 | 聲時差 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | |
| 1.0 | -7.2 | -7 | -8.8 | -5.0 | -8.5 |
| 0.2 | -6.8 | -6 | -6.5 | -6.3 | -6.5 |
Table 6. 不同聲時精度下的實測應力
| 聲時精度 | 實測應力 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | |
| 1.0 | -67.2 | -65.2 | -82.7 | -45.9 | -79.8 |
| 0.2 | -63.3 | -55.5 | -60.4 | -58.4 | -60.4 |
試驗數據顯示，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。相應地，殘余應力最大波動達到36.8 MPa和7.8 MPa。設備聲時精度的提升使超聲波殘余應力測試精度顯著提高約5倍，單點測試重復性可穩定控制在-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果出現顯著偏差。為確保測試結果的可靠性，規范化的操作流程至關重要。在嚴格控制被測點位、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個測點的殘余應力測試結果，具體數據如圖5（軋向）和圖6（橫向）所示。
圖 5 不同試驗員實測軋向殘余應力
圖 6 不同試驗員實測橫向殘余應力
在規范操作流程的條件下，3名測試人員獲得的殘余應力測試結果具有良好的一致性。具體數據表現為：軋向殘余應力平均值分別為-86.1，-84.9，-87.2 MPa；橫向殘余應力平均值分別為-59.6，-62.7，-60.0 MPa，各平均值偏差均控制在5 MPa以內。
由圖5，6可知：鋼板邊緣和中部區域的殘余應力變化趨勢展現出良好的測試重復性。雖然部分單點測試結果仍存在-5~5 MPa的偏差，表明超聲波法的單點測試重復性尚需進一步優化，但當前測試精度已完全滿足指導鋼板板形生產工藝調控的工程需求。
3. 結論
（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果的準確性，但會引入200~350 MPa的額外壓應力，并破壞鋼板的交貨狀態。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。
（2）耦合劑優選方面，機油因具有低聲衰減率和優異的防銹性能，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，不適用于殘余應力測試。
（3）耦合劑膜厚控制至關重要。測試結果表明，隨機膜厚條件下的數據離散性高達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，測試重復性顯著提高。
（4）設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，殘余應力單點測試的標準偏差從±20 MPa降至±5 MPa，精度提升約4倍，大幅提高了測試可靠性。
（5）人員操作規范化成效明顯。通過統一測點定位、固定耦合劑膜厚和標準化保壓時間等措施，不同操作人員測試結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，但當前精度已完全滿足工業生產調控需求。
文章來源——材料與測試網
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