摘要
在大厚度板材在轧制过程中，由于工艺控制不当易引起材料组织分布不均匀、粗大晶粒等问题，本文针对TC4轧制板材研究超声检测信号对材料内部组织分布的表征情况。结果表明，声波垂直于板材流线方向入射时，声衰减分布均匀；而平行入射时，声衰减分布极不均匀，呈条带状分布。为此，对引起不同声波衰减的截面进行组织分析，金相观察发现超声波衰减与材料内部α相的分布及形态有关：声衰减小的区域，材料内部等轴α相较多，晶粒细小，分布均匀；声衰减大的区域，α相被明显拉长。
TC4钛合金密度低，在保持较高强度水平下具有韧性好、疲劳强度高和耐腐蚀等优异的综合性能，适用于设计制造大型飞机主承力结构
超声检测方法是金属材料内部质量的有效检测手段，对夹杂、空洞等体积型缺陷具有较好的检测效果。然而，材料研制者希望超声检测方法能在检测体积型缺陷的同时进一步对材料整体组织特征进行评判，从而降低由于材料晶粒粗大、组织不均匀等现象带来的使用风险。一直以来，钛合金材料组织特征与超声检测信号的对应关系也是无损检测业内讨论的热门话
本文以TC4轧制板材为研究对象，从声波衰减的角度研究超声底波衰减幅度对材料内部组织分布的表征情况。通过两个分别垂直、平行于板材轧制流线方向入射声波的底波衰减检测实验，同时结合不同底波衰减幅值对应截面的材料内部组织高低倍金相观察，得到材料内部α相的形态分布对材料衰减的影响规律。材料中α相形态分布会对材料后续热变形行为产生影
实验对象为在厚度70 mm的TC4轧制板材上切取的尺寸为88 mm×69 mm×69 mm的长方体试样，试样尺寸及其与板材的位置关系如
图1 实验用试样尺寸及其与板材的位置关系示意图
Fig.1 Size of test sample and its position relationship with plate
检测系统采用SM-J6B-100水浸检测系统，配备USIP40超声检测仪，检测探头采用5 MHz水浸探头。
实验方法为水浸式超声底波衰减检测方法，如
图2 检测方法示意图
Fig.2 Schematic diagram of test method
声波由两个相互垂直的表面入射，如
图3 底波衰减检测声束入射方向示意图
Fig.3 Schematic diagram of beam incidence direction
实验得到声波沿试样两个相互垂直方向传播的底波幅度后，选取典型声波衰减部位进行解剖，在电子显微镜下观察其高低倍组织特征，分析超声检测底波信号衰减幅度与材料组织的对应关系。
在同一检测增益值下，声波沿
图4 试样内部截面截取方式
Fig.4 Schematic diagram of internal section for metallographic
图5 声波沿不同方向入射的底波衰减检测C扫描图
Fig.5 C-scan diagram of bottom wave attenuation detection of sound wave incident from different directions
检测结果表明，垂直于板材轧制流线方向传播的入射声束1，底波衰减幅度变化小，主要在80%~60%之间波动，变化范围不超过2 dB，表示该方向材料内部组织分布一致性较好；沿板材轧制流线方向传播的入射声束2，底波衰减幅度波动较大，波幅在80%~10%之间波动，变化范围达到18 dB，底波幅度变化呈条带状分布，表示该方向材料内部组织分布一致性较差。
进一步分析沿板材轧制流线方向上引起底波衰减幅度差异的原因。垂直于试样入射面2截取具有不同底波衰减幅度的截面观察其高低倍组织，各截面对应的底波衰减幅度如
（a） red
（b） yellow
（c） green
（d） blue
图6 C扫描图中不同颜色部位对应的A扫描信号
Fig.6 A-scan waveform corresponding to different color parts in C-scan diagram
4个截面的低倍组织见
（a） 截面1（Y）
（b） 截面2（B）
（c） 截面3（G）
（d） 截面4（R）
图7 4个截面的低倍金相照片
Fig.7 Macro metallographic photographs of four sections
模糊晶晶界不清晰，对声波的散射作用小，引起的材料衰减小，对应的超声检测底波幅度高；清晰晶晶界清晰，再加上晶粒不均匀的影响，对声波散射作用大，引起的材料衰减大，对应的超声检测底波幅度低。
在上述4个截面上分别取多个15 mm×15 mm的小试样，观察其高倍组织，由各截面典型高倍组织
（a） 截面1
（b） 截面2
（c） 截面3
（d） 截面4
图8 试样高倍金相照片
Fig.8 High power metallographic photos of samples
当材料内部晶粒均匀分布时，不存在明显的阻碍声波传播的异质界面，声波传播产生的材料散射衰减小，表现为底波幅度高，检测杂波幅度低［
（a） 组织均匀部位波形特征
（b） 组织不均匀部位波形特征
图9 材料组织与超声信号特征对应关系
Fig.9 relationships between the material microstructures and their ultrasonic signals
（1）声波垂直于板材轧制流线方向入射时，声衰减分布较均匀，声波沿板材轧制流线方向入射时，声衰减分布不均匀；
（2）通过对平行于板材轧制流线方向的不同底波衰减幅度的截面高低倍组织观察，发现该板材内部组织中的α相存在被拉长的现象，且不同截面α相被拉长的程度不同，超声底波衰减程度与材料内部α相的分布及形态有关：声衰减小的区域，材料内部等轴α相较多，晶粒细小，分布均匀；声衰减大的区域，α相被明显拉长，存在长条组织。
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