深冲钢板在线检测技术的探讨毛卫民，余永宁，曾燕屏北京科技大学材料科学与工程系，北京１００ ０８３摘要根据当今的钢板在线检测技术状况，探讨了Ｘ射线和超声波钢板在线检测的基本原理和 技术手段．获取织构信息是在线检测的关键环节．借助对ＩＦ钢板织构的取向分布函数分析，讨论 了取向分布函数展开阶数ｌ＿（ｍａｘ）对织构信息的影响．在此基础之上分析了现有在线检测技 术上存在的若干问题及提高检测精度的可能性．经比较认为Ｘ射线法具有更广阔的发展前景．关键 词在线检测，织构，深冲压板，Ｘ射线，超声波中图分类号ＴＧ１１５为了保证深冲压钢板、高强 冲压板以及ＩＦ钢板等新一代优质冲压板材高质量、高效率地生产，在线检测与监控技术成为板材 生产技术必不可少的一部分．深冲钢板性能的提高很大程度上依赖于调整生产工艺以促使板材中生 成对性能有利的织构，因此在线检测技术大多建立在板材织构在线检测的基础上。当前板材织构一 般都用取向分布函数（ＯＤＦ）表达［１］，根据织构信息和相应的换算模型即可获得板材在线检 测的性能．１织构在线检测技术１．１板材织构信息的获取根据Ｂｕｎｇｅ［１］定义的取向分布 函数，板材织构可以表达成［２］：式中ｌ（ｍａｘ）应该是无穷大．在实际运算中ｌ（ｍａｘ） 不可能取无穷大，在实验室研究中ｌ（ｍａｘ）通常取２２，若作精密分析则ｌ（ｍａｘ）也可取 ３４．当ｌ（ｍａｘ）为２２时对应着１２４个常数组成的数组．织构的全部信息均包含在数组之 中［２］．在实验室人们往往借助中子、Ｘ射线或电子束等射线通过较长时间测得若干极图，并由 此算出较为准确的ＯＤＦ．这种方法由于复杂、费时，显然不能用于生产现场的在线技术．在线测 量的关键在于测量设备要尽量简单，适合于生产现场，同时也要求测量速度快、测量结果准确可靠 ．当前发展的织构在线检测技术主要有Ｘ射线法和超声波法．１．２ Ｘ射线在线检测技术在实验 室Ｘ射线织构测量的基础上，Ｂｏｔｔｃｈｅｒ和Ｋｏｐｉｎｅｃｋ等人开发了一种Ｘ射线在线测 第一作者男４５岁教授博士国家教委《跨世纪优秀人才计划》基金资助项目量技术［３］．他们采 用了Ｘ射线透射法，以使获得的织构信息来自钢板不同厚度的地方。另外更为重要的是采用了连续 入射Ｘ射线谱和能谱探测器．连续谱可使一束入射Ｘ射线获得多个衍射峰，能谱探测器可在一固定 位置接受不同能量级别的多个衍射峰．这项技术使得测量设备得以极大地简化．在实际应用中他们 只用一束固定的入射Ｘ射线和两个位置固定的能谱探测器就可以在线连续地检测钢板．然后再根据 他们研究的ｒ（塑性应变比）值与织构的关系换算成在线检测ｒ值．这项技术自１９８２年以来一 直在德国Ｋｒｕｐｐ－Ｈｏｅｓｃｈ钢铁公司钢板生产线上在线使用．１．３超声波在线检测技术 Ａｕｌｄ［４］曾经描述了固体中超声波传播速度与固体弹性模量的关系，Ｂｕｎｇｅ分析了ＯＤ Ｆ与多晶体弹性模量的一级近似关系［５］，在此基础上Ｓｐｉｅｓ和Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ开发了 利用超声波测量弹性模量进而获取织构的方法［６］，随后Ｂｏｒｓｕｔｚｋｉ等人研究了超声波 在线检测织构的设备和方法［７］，并把这一方法应用在德国Ｔｈｙｓｓｅｎ钢铁公司钢板生产的 在线检测上．这一技术的关键在于弹性模量与一级近似的板材织构的关系，即式（１）中的ｌ（ｍ ａｘ）仅取值为４．这样系数组只有３个数，式（１）可写成：由此式可以换算出和与超声波传播 速度张量的简单关系［４］，从而使得用简单的声学设备测量织构成为可能．再借助与ｒｍ和与Δ ｒ的经验关系即可计算ｒｍ与Δｒ的在线检测值。２ｌ（ｍａｘ）的取值对织构信息的影响由（１ ）式可知，ＯＤＦ可以表达成无穷级数．为了实际可操作，ｌ（ｍａｘ）通常取有限的值．ｌ（ｍ ａｘ）的大小会影响到的精度．ｌ（ｍａｘ）越大则精度越高．由于在线检测的局限，在线实测的 数据不可能很多，因此可以计算的数组也不可能很多，从而限制了ｌ（ｍａｘ）的增大．由此可见 ｌ（ｍａｘ）值既不可能太大，又不允许太小以防影响检测精度．图１ 给出了不同ｌ（ｍａｘ） 值时算得的ＯＤＦ截面图。轧板采用宝山钢铁公司生产的ＩＦ冷轧钢板并经退火处理［８］．用Ｘ 射线反射法测量了轧板的｛１１０｝、｛２００｝、｛１１２｝、｛１０３｝和｛１２３｝不完整 极图，并用Ｂｕｎｇｅ法［２］计算ＯＤＦ。图１ａ是ｌ（ｍａｘ）取２２时的ＯＤＦ．此时有１ ２４个数，其ＯＤＦ反映出典型的｛１１１｝纤维织构，ＯＤＦ最高值为５．５．这种织构十分有 利于板材的深冲压性能［８］．当ｌ（ｍａｘ）值降到１２时数组有３２个数．此时的ＯＤＦ仍能 反映出板材织构的强度和主要特征（图１ｂ）．ＯＤＦ最高值仅从５．５下降到５．１．若取ｌ（ ｍａｘ）为８则数组有１２个数，其ＯＤＦ基本能反映出板材的｛１１１｝纤维织构特征，但出现 了明显的漫散化现象（图１ｃ），即函数值散布宽度变大，最高峰值下降到３．６．由此计算出的 板材力学性能数据的精度也会受到一定影响．如果ｌ（ｍａｘ）值进一步降低到４，则只剩下３个 数，且如（２）式所示．这时计算的ＯＤＦ已面貌全非（图１ｄ）．ＯＤＦ值最大峰值为１．９． 整体ＯＤＦ呈随机分布的现象．这自然会大大影响由此计算出的板材性能数据的精度． 图 １ 退火ＩＦ钢板取向分布函数ｌ（ｍａｘ）（ａ）２２；（ｂ）１２；（ｃ）８；（ｄ）４对于 ＯＤＦ来说，不论如何简化（１）式，必须允许其在所有可能的取值范围内取值（如图１）．因此 可以理解，当（１）式过于简化时计算出的ＯＤＦ就会明显偏离真实值（如图１ｄ示）．由图１所 示的结果可以看出，实际只可以对（１）式作适当的简化．３在线测量技术的改进板材在线检测即 是通过实测板材晶粒取向分布的有关数据回归计算出未知的数组．对（１）式取较高阶近似需要获 得较多的数据，因此也就意味着需要较多的有关板材织构的实测数据．对于超声波测量技术，取高 阶近似会使得上述与弹性模量的转换关系变得十分复杂．同时也不得不增加实测装置的数量以获取 较多的数据［７］．对于Ｘ射线测量技术，虽采用了连续Ｘ射线和（点）能谱探测器，可以同时获 取多个实验数据，但这往往还不能满足精确在线检测的要求．采用Ｘ射线测量时，Ｘ射线束穿过了 整个钢板。能谱探测器接收了一组衍射值，但每一个衍射值均对应着钢板中一种特定取向的晶粒群 的相应晶面的衍射强度。因此一组衍射强度值直接反映了钢板中不同取向晶粒的多少。如果探测器 的接收范围由点扩展成线或面，以便接收到更多组衍射信息，则不难计算出精度较高的ＯＤＦ．采 用超声波测量时，超声波虽然也穿过整个钢板，但所测得的超声波速度受超声波传播途径上所有晶 粒的影响．这样所得的测量信息是不同取向晶粒的综合信息．因此若从综合信息中比较精确地剥离 出分别表明不同取向晶粒体积量的织构信息，就必须较多地增加不同方位上的实测信息量，并提高 （１）式的近似级别．另一方面，Ｘ射线在线检测技术采用的是织构性能的路线，即直接测量晶粒 取向分布并推算性能。测量时根据某一取向晶粒体积量的多少，相应衍射的相对强度可以由完全没 有的０％到单晶体时的１００％．超声波在线检测技术采用的是超声波速弹性模量织构性能的路线 ，即超声波直接测算到的是钢板的弹性模量，而弹性模量只能在较小的范围内变化．铁的弹性各向 异性系数约为２．５，而且对成分的变化比较敏感。这在一定程度上限制了测量精度的进一步提高 。最近的研究表明，在线测量数据的获取方式和板材内的织构类型也对在线检测的精度有所影响［ ９，１０］．这些因素在改进在线检测技术时都应予以考虑．４钢板力学性能与织构ｒ、Δｒ、ｎ 、Δｎ、σｓ、σｂ等力学性能是衡量钢板冲压性能的重要标志，因此也是在线检测技术所要监视 的力学性能数据。人们熟知，钢板的力学性能不仅要受到织构的影响，而且还要受到许多冶金因素 的影响．钢板的冶金质量以及化学成分、碳氮化合物析出的量和形态、晶粒的尺寸和非等轴化的状 况、晶粒的缺陷密度等等诸多因素都会影响上述各力学性能。举一简单的例子，冷轧钢板作回复处 理前后其织构不会改变，而其力学性能则要发生一定程度的变化。因此把上述力学性能仅与织构结 合不十分恰当．在线检测技术的实际应用过程中，人们首先要确定钢板的加工过程和组织状态，进 而使许多冶金因素确定下来，另一方面，一些冶金因素在一定程度上与织构的变化联系在一起．如 再结晶退火初期，随晶粒尺寸的长大板材｛１１１｝织构也随之增强，这样使织构的变化在一定程 度上也代表着相应冶金因素的变化．但冶金因素总会有与织构不同的变化规律，这就要求在线检测 技术也要有所兼顾，如参考其它的冶金质量检验结果等．由已知的在线检测技术可以看出，检测数 据均是由获得的全部或一部分织构信息参数借助经验关系换算出来的［３，６］，这就使数据的可 靠性受到一定影响．如不同炉次微小的冶金质量或加工工艺的差别都会使统计的经验规律发生少许 变化，因此在线检测值与实测结果往往有明显的偏差［６，７］，而对于工业产品质量作定量说明 时往往不允许有明显偏差．Ｂｕｎｇｅ［１１］的研究表明，钢板的某些力学性能完全可以由实测 织构信息通过较为严谨的理论精确地计算出来．在这方面，对于每一种力学性能参数都需要有一个 较好的理论转化模型．目前有许多学者正在开展这方面的工作，现代计算技术的发展使得较为复杂 计算的快速运行已不成问题，相信这将会推动在线检测技术水平的提高．５总结（１）在线检测过 程中不宜对ＯＤＦ采用过于简化的计算，并应适当考虑非织构因素的影响，以提高检测精度．在线 检测数据应从半经验的试验公式向比较严谨的理论推导发展．在线检测设备应进一步改善数据获取方式．（２）超声波法间接获取织构信息，测量精度受弹性各向异性的制约，有一定的局限性．参考文献｜｜１ＢｕｎｇｅＪＨ．ＭａｔｈｅｍａｔｉｓｃｈｅＭｅｔｈｏｄｅｎｄｅｒＴｅｘｔｕｒａｎａｌｙｓｅ．Ｂｅｒｌｉｎ：Ａｋａｄｅｍｉｅ－Ｖｅｒｌａｇ，１９６９．２０～２５２
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