Page 42 - 无损检测2021年第七期

张 锐, 等:

超声固体测温中波速与温度的相关性试验

将试验结果与文献[ 3-5 ] 的结果进行对比, 发现 的厚度变化。在温度为 600 ℃ 时, 热膨胀引起的试

两者有着相同的趋势。由于试验所用不锈钢型号与 件厚 度 变 化 约 为 1.06% , 引 起 的 波 速 变 化 约 为

文献中的不同, 所以试验结果也会有差异, 两者的对 29m · s , 如果用于超声测温, 相当于约 40 ℃ 的温

-1
比如图 9 所示。 度偏差, 会带来 6.67% 的温度检测误差, 因此需要
对高温环境下试件的厚度进行修正。
在考虑热膨胀影响的条件下, 式( 3 ) 可改写 [ 8 ] 为

2 L 0 1+ α T -T 0
v C = ( 6 )
t
为室温下试件的实测厚度; α 为线膨胀系
式中: L 0
为室温。
数; t 为超声波在介质中的传播时间; T 0
通过不同温度下 316 不锈钢的线膨胀系数 [ 7 ] 和
式( 6 ) 对试验结果进行修正, 得出考虑热膨胀影响下
图 9 波速与温度的相关性试验结果与文献结果的对比
室温至 600 ℃ 时, 316 不锈钢中横波波速与温度的
在各向同性固体中, 超声横波的传播速度可以 修正关系式如式( 7 ) 所示。
表示为 [ 6 ] v C =- 0.6712 T +3156.5 ( 7 )

E G 高温下超声回波信号受电磁超声探头的性能和
c S = = ( 5 )

2 ρ 1- σ ρ 材料结构等因素的影响。电磁超声探头中永磁铁的
式中: E 为弹性模量; G 为切变模量; σ 为泊松比; 磁场强度会随探头温度的升高而降低, 磁场强度的
ρ
为介质密度。 降低会使试件中自由电子受到的洛伦兹力减小, 质
查得 316 不锈钢的切变模量 [ 7 ] , 通过式( 5 ) 计算 点振动也会减弱。此外, 超声回波信号幅值的减小

得到横波波速, 并将试验值与计算参考值进行对比, 与材料的结构和组织有很大关系, 且受超声波频率、
如表 1 所示。 波长和晶粒度等因素的影响。声时检测是通过捕捉
从表 1 可以看出, 横波波速试验值与计算参考 第一回波峰值和第二回波对应峰值之间的相对时间
值有着相同的趋势, 随着温度的升高, 波速呈线性递 差获得的, 超声回波信号的衰减容易使第二回波出
减的趋势。在试验温度范围内, 试验值与计算参考 现“ 双峰”( 见图 10 ), 造成软件对第二回波峰值的误

值的最大相对误差为 1.28% 。 判, 那么声时的判断也会出现误差。试验过程中为
表 1 横波波速的试验值与计算参考值对比 了减少信号衰减对声时检测造成的误差, 在同一温
度下连续检测 5 组声时数据, 并对声时数据进行离
温度 / 切变模量 / 计算参考值 / 试验值 / 相对误差 /
散度分析。
-1
-1
3
℃ ( ×10 MPa ) ( m · s ) ( m · s ) %

93 77.3 3108.456 3090.373 -0.58

149 74.5 3051.639 3049.952 -0.06

204 72.4 3008.322 3010.253 0.06

260 70.3 2964.372 2969.832 0.18

316 68.2 2919.760 2929.411 0.33

371 66.1 2874.457 2889.712 0.53

427 64.0 2828.427 2849.291 0.74

482 61.9 2781.636 2809.592 1.01

538 59.8 2734.045 2769.172 1.28
图 10 高温下 316 不锈钢的超声回波信号

593 58.4 2701.851 2729.473 1.02
仪器的检测精度直接影响超声波的传播路径和
传播时间的检测精度。试验中使用示波器采集超声
4 影响因素及其规律分析
回波信号, 示波器的增益调整、 触发类型以及采样长
高温条件下, 试件的热膨胀会引起超声波传播 度的不同会带来声时检测的误差; 游标卡尺的检测

路径的变化。 316 不锈钢在温度为 600 ℃ 时的膨胀 精度会影响超声传播路径的准确度。

-1
-6 K , 该值用于修正热膨胀引起
系数为 18.3×10 ( 下转第 12 页)
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2021 年 第 43 卷 第 7 期

无损检测