CN107271557B - 一种基于超声扫描显微镜的钢洁净度评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超声扫描显微镜的钢洁净度评价方法，所述方法采用超声扫描显微镜对钢样进行三维扫描成像检测，统计钢中30μm以上大型夹杂物的数量和尺寸分布，提高钢洁净度评价的可靠性；建立了回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线，为采用回波幅值法判断未知试样中夹杂物的尺寸提供依据；结合高频超声显微成像技术和夹杂物晶相观察方法，对大型夹杂物进行原位分析，确定被标记夹杂物的实际尺寸，从而保证了幅值‑尺寸标定曲线的准确性。

Description

一种基于超声扫描显微镜的钢洁净度评价方法
技术领域
本发明属于涉及超声扫描显微镜检测领域和钢洁净度评价领域，具体涉及一种基于超声扫描显微镜的钢洁净度评价方法。
背景技术
钢洁净度是评价钢材内部质量的重要标志，其主要取决于钢中非金属夹杂物的含量。钢中夹杂物的尺寸越大，数量越多，对钢性能的危害越大，钢的洁净度也就越低。通常，尺寸大于30μm的夹杂物被认为是大型夹杂物。对于洁净度要求较高的轴承钢而言，不仅要降低钢中的总氧含量，同时还要尽可能减少钢中大型夹杂物的数量。常规的钢洁净度评价方法主要包括总氧含量分析法、晶相显微观察法、大样电解法和超声扫描检测法等。总氧含量仅能反映钢中氧化物夹杂的整体含量，而不能反映大型夹杂物的数量及其尺寸分布，用其评价钢洁净度的可靠性不高。晶相显微观察法的检测面积非常有限，很难对数量较少的大型夹杂物做出准确评价。尽管大样电解法能够有效观察钢中的大型夹杂物，但其分析周期相对较长，容易导致夹杂物的损失，因此无法保证检测结果的准确性。超声检测法是一种典型的无损检测技术，对材料表面光洁度要求较低，可对钢内部的各类夹杂物进行检测，实现夹杂物含量的快速、准确评价。目前，以超声扫描显微镜为代表的超声检测方法已经逐渐成为材料微缺陷检测的有效手段。
然而，采用超声扫描显微镜评价钢洁净度仍然存在诸多问题。目前该方法缺乏相对完善的评价标准，换能器性能、放大器增益、材料表面粗糙度、检测深度以及被测材料的组织性能均会对检测结果造成影响。更重要的是，针对钢中几十微米的大型夹杂物，尚无法获得理想的标准试块，因此很难建立缺陷回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线。
本发明结合超声C扫成像技术与夹杂物晶相观察方法，建立了大型夹杂物回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线，根据被测试样在相同增益下的C扫图像，统计得到钢中30μm以上大型夹杂物的数量和尺寸分布，保证了钢洁净度超声显微评价结果的可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于超声扫描显微镜的钢洁净度评价方法，所述方法结合超声C扫成像技术与夹杂物晶相观察方法，建立了大型夹杂物回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线，根据被测试样在相同增益下的C扫图像，统计得到钢中30μm以上大型夹杂物的数量和尺寸分布，保证了钢洁净度超声显微评价结果的可靠性；
进一步地，所述方法包括以下步骤：
1)从被测材料上分别切取定标试样和待测试样，切割并打磨试样表面，使其平整且粗糙度在5μm以下；
2)将换能器聚焦在定标试样的内部，然后对其进行完整的C扫成像；
3)根据C扫图像中各夹杂物的回波幅值调节增益，使夹杂物的最大回波幅值为80％，记录增益值；
4)在定标试样的C扫图像中标记出回波幅值不同的多个夹杂物，记录各夹杂物的回波幅值及其平面位置；
5)根据A扫波形中缺陷回波与界面波之间的时间间隔计算各夹杂物的深度；
6)从定标试样中切割出含有被标记夹杂物的多个晶相试样，然后根据各夹杂物的深度，采用逐层打磨和抛光的方法，将被标记夹杂物暴露于试样表面，并在光学显微镜下观察被标记夹杂物的最大截面；
7)根据夹杂物的最大截面，采用等效圆的方法计算各夹杂物的直径，获得缺陷回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线；
8)在相同增益下对待测试样进行C扫成像，并根据幅值-尺寸标定曲线，统计C扫图像中大型夹杂物的数量和尺寸分布；
本发明的有益效果如下：
1)采用超声扫描显微镜对钢样进行三维扫描成像检测，统计钢中30μm以上大型夹杂物的数量和尺寸分布，提高钢洁净度评价的可靠性；
2)建立了回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线，为采用回波幅值法判断未知试样中夹杂物的尺寸提供依据；
3)结合高频超声显微成像技术和夹杂物晶相观察方法，对大型夹杂物进行原位分析，确定被标记夹杂物的实际尺寸，保证幅值-尺寸曲线的准确性。
附图说明
图1被测试样几何形状及其检测面；
图2试样内部整体C扫图像；
图3被标记夹杂物的C扫图像；
图4被标记夹杂物最大截面的晶相图；
图5夹杂物缺陷幅值-尺寸标定曲线；
图6不同炉次夹杂物含量的统计结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
如图1-图6所示，以GCr15轴承钢热轧棒材检测为例，对本发明的技术方案进行详细说明：
1.分别从7炉不同的热轧轴承钢棒材上截取长度为240mm的7个待测试样和1个定标试样，待测试样编号为1#～7#，定标试样从7炉中任意选取。棒材直径均为45mm，将其按照图1所示的方向切割出两个平面，并保证表面粗糙度在5μm以下。
2.将频率为50MHz的换能器聚焦在定标试样表面以下1mm处，成像闸门的起点至界面波起点的间隔为200ns，成像闸门的宽度为100ns，然后进行C扫成像，成像结果如图2所示。
3.根据C扫图像中呈现的夹杂物缺陷，调节放大器的增益至+23dB，以保证各夹杂物的回波幅值均小于80％。
4.从定标试样C扫图像中找到6处回波幅值不同的夹杂物缺陷，记录夹杂物的回波幅值以及各夹杂物的平面位置，6处夹杂物的C扫图像如图3所示。
6.根据轴承钢中的纵波声速以及夹杂物回波至界面波之间的时间间隔，计算各夹杂物的深度。
7.根据夹杂物在定标试样中的平面位置和深度，从定标试样中分别切割出包含有上述6处夹杂物的晶相试样，试样长、宽、高分别为5mm、5mm和15mm；
8.对6个晶相试样分别进行逐层打磨和抛光处理，然后采用光学晶相显微镜观察被标记夹杂物的最大截面，如图4所示。
9.根据夹杂物的最大截面，采用等效圆的方法计算夹杂物的直径，然后根据各夹杂物的回波幅值，建立幅值-尺寸关系曲线，如图5所示；
10.采用上述检测参数对7个待测试样进行C扫成像，根据幅值-尺寸关系曲线，统计C扫图像中30μm以上夹杂物的数量，不同炉次的统计结果，如图6所示，其夹杂物的尺寸分布，如表1所示。
表1夹杂物尺寸分布
Figure GDA0001400822670000061
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于超声扫描显微镜的钢洁净度评价方法，其特征在于，所述方法结合超声C扫成像技术与夹杂物晶相观察方法，建立了大型夹杂物回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线，根据被测试样在相同增益下的C扫图像，统计得到钢中30μm以上大型夹杂物的数量和尺寸分布，保证了钢洁净度超声显微评价结果的可靠性，所述方法包括以下步骤：
1)从被测材料上分别切取定标试样和待测试样，切割并打磨试样表面；
2)将换能器聚焦在定标试样的内部，然后对其进行完整的C扫成像；
3)根据步骤2)中C扫图像中各夹杂物的回波幅值调节增益，使夹杂物的最大回波幅值为80％，记录增益值；
4)在定标试样的C扫图像中标记出回波幅值不同的多个夹杂物，记录各夹杂物的回波幅值及其平面位置；
5)根据A扫波形中缺陷回波与界面波之间的时间间隔计算各夹杂物的深度；
6)从定标试样中切割出含有被标记夹杂物的多个晶相试样，观察被标记夹杂物的最大截面；
7)根据步骤6)中获取的夹杂物的最大截面，计算各夹杂物直径，获得缺陷回波幅值随夹杂物尺寸变化的标定曲线；
8)在相同增益下对待测试样进行C扫成像，并根据幅值-尺寸标定曲线，统计C扫图像中大型夹杂物的数量和尺寸分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中打磨试样表面粗糙度在5μm以下。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)具体为从定标试样中切割出含有被标记夹杂物的多个晶相试样，然后根据各夹杂物的深度，采用逐层打磨和抛光的方法，将被标记夹杂物暴露于试样表面，并在光学显微镜下，观察被标记夹杂物的最大截面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7)中各夹杂物直径采用等效圆的方法计算得到。
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