30CrMnSiA 鋼回火組織對(duì)超聲信號(hào)影響的試驗(yàn)研究

張 琦 ， 歐陽小琴 ， 張 尤 ， 鄔冠華

（1.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，南昌 330029；2.中航工業(yè)洪都航空工業(yè)集團(tuán) 理化中心，南昌 330024；3.無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063）

0 引言

30CrMnSiA 鋼是具有較高強(qiáng)度和良好韌性的中碳低合金鋼，常用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的大梁、框架和標(biāo)準(zhǔn)件，是重要的受力部件，多在淬火后回火狀態(tài)下使用。不同的回火溫度會(huì)導(dǎo)致材料的組織和性能產(chǎn)生差異[1]，且30CrMnSiA 鋼具有回火脆性[2]，材料性能受回火溫度影響很大；因此掌握不同回火溫度下材料的組織及性能是很有必要的?，F(xiàn)有的測(cè)試回火組織與性能的方法多為硬度測(cè)試（布氏或洛氏硬度），針對(duì)回火脆性的檢測(cè)方法為沖擊檢測(cè)[3]和內(nèi)耗法[4]。上述方法均屬于破壞性檢測(cè)，存在檢測(cè)時(shí)間長、具有破壞性等缺點(diǎn)，難以對(duì)在役構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)。

針對(duì)材料組織無損評(píng)價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)大量研究發(fā)現(xiàn)材料組織對(duì)渦流、磁巴克豪森噪聲和超聲等信號(hào)有一定的影響，并借助影響規(guī)律得出了相應(yīng)的檢測(cè)方法。如Konoplyuk[5]利用渦流法較好地評(píng)價(jià)了不同成分鑄鐵的基體結(jié)構(gòu)并測(cè)定了球墨鑄鐵中珠光體的含量；祁欣等[6]研究得出鐵磁性材料的巴克豪森噪聲信號(hào)隨馬氏體含量、碳含量的變化情況。但渦流因集膚效應(yīng)而無法到達(dá)材料內(nèi)部，磁巴克豪森噪聲只能在鐵磁性材料中產(chǎn)生，兩者均有局限性。

相對(duì)而言，超聲波能量高、指向性好、穿透能力強(qiáng)，且對(duì)于材料組織的連續(xù)性的不均勻分布有較高的敏感性，在材料組織對(duì)超聲波的影響方面已有一定的研究和應(yīng)用，如用超聲聲速、聲衰減系數(shù)表征材料晶粒尺寸和材料硬度：Palanichamy P 等[7]借助超聲聲速測(cè)量了316 型不銹鋼中的晶粒尺寸；盧逸凡[8]、萬江[9]對(duì)多種高溫合金進(jìn)行了微觀組織與超聲傳播特性關(guān)系的研究。本研究通過檢測(cè)超聲波在30CrMnSiA 不同回火狀態(tài)下材料的傳播特性的變化，分析超聲縱波聲速、聲衰減系數(shù)和底波頻移等參數(shù)與30CrMnSiA 的回火程度的關(guān)系，為采用超聲檢測(cè)方法對(duì)30CrMnSiA 回火組織進(jìn)行無損評(píng)價(jià)提供參考。

1 超聲與材料組織作用原理

超聲波與材料顯微組織和結(jié)構(gòu)相互作用引起的傳播速度的變化和聲波能量損失，是超聲波受材料組織和性能影響時(shí)變化明顯的2 個(gè)主要參數(shù)[10]。超聲縱波理論聲速如式(1)所示，其影響因素為材料彈性模量和材料密度，彈性模量與原子間作用力和原子間距有關(guān)，金屬材料的密度也與組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，故聲速與金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和晶體取向有必然的聯(lián)系[11]，理論上是可以采用超聲縱波聲速表征回火狀態(tài)下材料的組織與性能。

式中：CL為聲速；E 為介質(zhì)的彈性模量； ρ為介質(zhì)的密度；σ 為介質(zhì)的泊松比。

在多晶金屬材料中，超聲波能量損失，即超聲波衰減，損失最大的部分是由晶粒散射引起的。超聲波能量損失的計(jì)算常用超聲波衰減系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算，見式（2）。

式中：m 為底波的反射次數(shù)；n 為底波的反射次數(shù)；Bm、Bn分別為第m、n 次底波高度。

材料中的雜質(zhì)、晶粒、內(nèi)應(yīng)力、第二相、多晶體晶界等非均勻性，都會(huì)造成散射衰減、超聲波的衰減則幾乎與上述所有參數(shù)都有明顯的相關(guān)性。例如，在多晶金屬中體現(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)是晶粒結(jié)構(gòu)、形態(tài)和位錯(cuò)密度，這些對(duì)衰減均有強(qiáng)烈的作用；因此，從不同角度來看，彈性模量、材料顯微結(jié)構(gòu)、晶粒形態(tài)都會(huì)對(duì)超聲特征參數(shù)產(chǎn)生影響，甚至存在良好的相關(guān)性。研究表明，SAE4340鋼回火組織中，超聲衰減系數(shù)變化規(guī)律為：鐵素體+珠光體＞貝氏體＞回火屈氏體＞回火馬氏體，且珠光體的片層間距與超聲衰減系數(shù)有一定的關(guān)系[12]。利用超聲衰減系數(shù)受材料組織影響的規(guī)律對(duì)材料進(jìn)行無損評(píng)價(jià)已取得一定的實(shí)際應(yīng)用，其中比較成功的是用超聲聲速表征球磨鑄鐵的球化率[13-14]。

2 試驗(yàn)材料及方法

30CrMnSiA 鋼試樣取自入廠復(fù)驗(yàn)的原材料，經(jīng)過機(jī)械加工制成試樣若干。熱處理淬火溫度為(860±5) ℃，回火溫度為200～700 ℃（控制精度為±3 ℃）。磨削加工后進(jìn)行硬度采集、超聲檢測(cè)和金相實(shí)驗(yàn)。

1）硬度采集：用HR-150A 型洛氏硬度計(jì)測(cè)量硬度，載荷為150 N，測(cè)量精度為HRC ±1。各試樣待測(cè)區(qū)域隨機(jī)測(cè)量3 個(gè)點(diǎn)的硬度，取平均值作為試樣硬度。

2）超聲檢測(cè)：使用搭建的超聲水浸聚焦檢測(cè)系統(tǒng)，脈沖發(fā)射接收儀器型號(hào)為OLYMPUS5077PR，水浸聚焦探頭頻率為10 MHz，焦距為10 mm，點(diǎn)聚焦，采集卡為Picoscope 高速數(shù)據(jù)采集卡（采用率1 G），聲速測(cè)量精度為±5 m/s，衰減測(cè)量精度為±0.02 dB/mm，底波頻移測(cè)量精度±0.05 MHz。在試樣待測(cè)區(qū)域隨機(jī)選擇5 個(gè)點(diǎn)采集超聲檢測(cè)信號(hào)，每點(diǎn)聲學(xué)信號(hào)包含32 幀，依據(jù)式（1）、式（2）和頻域轉(zhuǎn)換，通過編程對(duì)各幀信號(hào)進(jìn)行處理得到超聲縱波聲速、聲衰減系數(shù)和底波頻移，取32 幀平均值作為該點(diǎn)特征值，再取5 點(diǎn)特征值的平均值作為該試樣特征值。

3）金相實(shí)驗(yàn)：硬度和超聲數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光，用5%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精行腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察并采集圖像。

3 結(jié)果分析及討論

試樣回火溫度與硬度、超聲縱波聲速、聲衰減系數(shù)和底波頻移的關(guān)系如圖1 所示。分析圖1，回火溫度對(duì)應(yīng)的材料硬度、超聲縱波聲速、聲衰減系數(shù)和底波頻移可分成4 個(gè)部分。

圖1 30CrMnSiA 回火溫度與硬度、超聲檢測(cè)參數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between tempering temperature of 30CrMnSiA and hardness, ultrasonic testing parameters

1）回火溫度200～380 ℃的組織與聲信號(hào)。

回火溫度為200～380 ℃時(shí)，材料硬度由HRC 50 降至HRC 40，聲速為5885～5891 m/s，接近測(cè)量誤差±5 m/s，聲衰減系數(shù)由0.14 dB/mm 增大至0.17 dB/mm，底波頻移量由1.361 MHz 增大至1.885 MHz。組織如圖2 所示，可見清晰的回火馬氏體。此后馬氏體開始分解，馬氏體中的過飽和碳開始逐步以碳化物的形式析出，馬氏體中碳的過飽和程度不斷降低，晶格畸變程度也減弱，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，內(nèi)應(yīng)力有所降低，聲速稍微降低，衰減提高，底波頻移提高。

2）回火溫度380～540 ℃的組織與聲信號(hào)。

回火溫度達(dá)到380 ℃時(shí)，殘余奧氏體分解，馬氏體在450 ℃甚至500 ℃回火后仍能保持一定的正方度。當(dāng)鋼中存在濃度足夠高的強(qiáng)碳化物形成元素時(shí)，形成的高度彌散的特殊碳化物，ε 相碳化物分解，420 ℃時(shí)θ 相碳化物開始析出，滲碳體的聚集長大，鋼內(nèi)形成了細(xì)粒狀滲碳體均勻分布在鐵素體基體上的兩相混合物[15]。此時(shí)的組織如圖3所示，為回火屈氏體，由馬氏體回火后形成的鐵素體基體內(nèi)分布著極其細(xì)小球狀碳化物（或滲碳體）的復(fù)相組織。與回火馬氏體相比，該種組織硬度為HRC 37，硬度有所降低，該組織聲速增大至5916 m/s，較前者高出近30 m/s，衰減降低至0.13 dB/mm，但變化不大，底波頻移變化明顯，降低至0.793 MHz。

圖2 回火溫度為200 ℃時(shí)30CrMnSiA 組織Fig.2 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 200 ℃

圖3 回火溫度為380 ℃時(shí)30CrMnSiA 組織Fig.3 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 380 ℃

3）回火溫度540～620 ℃的組織與聲信號(hào)。

在溫度為540～620 ℃回火后得到回火索氏體，此時(shí)鐵素體基體內(nèi)分布著細(xì)小球狀碳化物（包括滲碳體）的復(fù)相組織，如圖4 所示。與其他合金鋼相似，淬火后在500～550 ℃之間回火時(shí)，P、Sn、Sb、As 等雜質(zhì)元素會(huì)在540～600 ℃溫度向原奧氏體晶界偏聚，導(dǎo)致高溫回火脆性；Ni、Mn 等元素可以和P、Sb 等雜質(zhì)元素發(fā)生晶界協(xié)同偏聚，Cr 元素則又促進(jìn)這種協(xié)同偏聚，所以這些元素都加劇鋼的高溫回火脆性[16]。受回火脆性影響，在這一階段，所測(cè)的材料硬度以及縱波聲速、聲衰減系數(shù)、底波頻移等各項(xiàng)參數(shù)波動(dòng)較大。碳化物沿原奧氏體晶界分布而形成的沿晶斷裂導(dǎo)致了回火脆性的產(chǎn)生，而碳化物聲速遠(yuǎn)高于基體，導(dǎo)致聲速異常升高，且沿晶分布的碳化物對(duì)聲波的散射作用增加，導(dǎo)致聲衰減和底波頻移不同于基體組織。據(jù)此，可以在實(shí)際檢測(cè)中，對(duì)同一試樣進(jìn)行多點(diǎn)超聲檢測(cè)，通過聲速等聲學(xué)特征參數(shù)的波動(dòng)幅度來判斷材料是否出現(xiàn)回火脆性，避免因使用具有回火脆性的材料而導(dǎo)致工件在服役中產(chǎn)生危害。

圖4 回火溫度為610 ℃時(shí)30CrMnSiA 組織Fig.4 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 610 ℃

4）回火溫度620～700 ℃的組織與聲信號(hào)。

回火溫度在620～700 ℃時(shí)，組織為鐵素體+珠光體，如圖5 所示。此時(shí)聲速穩(wěn)定在5910 m/s，超聲波衰減主要是由于珠光體的片層組織導(dǎo)致，聲波容易被吸收，衰減與珠光體片層間距有關(guān)[11]，聲衰減系數(shù)先降后升，底波頻移先升后降。

圖5 回火溫度為700 ℃時(shí)30CrMnSiA 組織Fig.5 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 700 ℃

將30CrMnSiA 鋼各回火組織的硬度、超聲聲速、衰減及底波頻移數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，取溫度區(qū)間內(nèi)參數(shù)值的測(cè)量平均值，結(jié)果見表1。其中，540～620 ℃回火得到回火索氏體組織，由于回火脆性的影響，聲速、聲衰減及底波頻移大幅度波動(dòng)，取平均值無實(shí)際指導(dǎo)意義。由表1 可知，雖然30CrMnSiA 鋼不同回火溫度得到的組織對(duì)超聲檢測(cè)特征參數(shù)影響不同，但影響規(guī)律不明顯。隨回火溫度升高，30CrMnSiA 鋼回火組織依次為回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體、鐵素體+珠光體，硬度逐漸降低；超聲檢測(cè)特征參數(shù)中，除回火索氏體外，隨回火溫度升高，聲速增加，底波頻移降低；620～700 ℃回火組織鐵素體+珠光體的聲衰減系數(shù)較回火馬氏體和回火屈氏體的聲衰減系數(shù)高。通過檢測(cè)超聲波在30CrMnSiA 不同回火組織中傳播特性的變化，初步分析了超聲縱波聲速、聲衰減系數(shù)和底波頻移等參數(shù)與30CrMnSiA 的回火組織的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為超聲波評(píng)價(jià)該種材料回火程度的可能性做了初步研究。

表1 各回火組織的硬度、超聲聲速、衰減及底波頻移數(shù)據(jù)Table 1 Hardness, ultrasonic velocity, attenuation and bottom wave frequency shift data of each tempered microstructure

4 結(jié)論

1）隨回火溫度增加，30CrMnSiA 鋼回火組織依次為回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體、鐵素體+珠光體，硬度逐漸下降。

2）在回火馬氏體、回火屈氏體、鐵素體+珠光體的不同回火組織進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，超聲聲速呈增大趨勢(shì)，底波頻移呈下降趨勢(shì)。

3）在540～620 ℃回火時(shí)，受回火脆性組織中碳化物晶界分布的不規(guī)律影響，超聲檢測(cè)特征參數(shù)值不穩(wěn)定。