珠光體組織轉變的非線性超聲表征

陳 軍，楊孟哲，林 莉，羅忠兵

(大連理工大學 無損檢測研究所，大連 116024)

珠光體組織轉變的非線性超聲表征

陳 軍，楊孟哲，林 莉，羅忠兵

(大連理工大學 無損檢測研究所，大連 116024)

珠光體的過度球化會導致材料力學性能的下降，常規(guī)線性超聲檢測技術對材料的組織變化不敏感。采用不同的熱處理工藝對T8鋼試樣進行處理，得到不同球化狀態(tài)的珠光體組織， 并建立了珠光體組織轉變的非線性超聲測量系統(tǒng)，試驗測定了相應的非線性參數β。結果表明，隨著珠光體球化程度增加，聲速和衰減系數無明顯變化，而非線性參數β呈現顯著增加的趨勢，可對材料的組織演化進行表征。

珠光體球化；非線性參數；表征

壓力容器用碳素鋼和低合金鋼常溫組織為鐵素體加珠光體，珠光體中的鐵素體和滲碳體呈薄片狀相互間夾。這種片狀珠光體結構并不穩(wěn)定，溫度較高時，原子活動力增強，擴散速度增加，片狀滲碳體轉變?yōu)橹闋?，再逐漸聚成大球團，從而使得材料的屈服強度、抗拉強度、沖擊韌性、蠕變和持久極限等力學性能指標下降，影響服役的安全性[1-2]。無損檢測技術已經廣泛地應用于國民經濟的各個行業(yè)，但傳統(tǒng)的超聲檢測方法對材料微觀組織的變化不敏感；有研究表明[3-4]，材料本身不連續(xù)的產生總是伴隨著某種形式的材料非線性力學行為，從而引起超聲波傳播的非線性(如波形畸變、高次諧波等)的產生，并且這種非線性效應與材料細微組織變化和早期力學性能退化具有明顯的相互作用和依存關系。對此，很多學者進行了大量研究[5-7]，但研究主要集中在微小缺陷引起的非線性行為上，而對組織變化引起的非線性行為的研究較少。目前一般采用金相觀察法確定珠光體球化級別，屬于有損檢驗方法，其存在程序繁瑣、周期長、不易實施等問題。建立珠光體組織轉變的非線性超聲無損評價方法，對于快速簡便地確定珠光體球化程度、保障材料的安全服役具有重要意義。

筆者對T8鋼試樣采用不同的熱處理工藝進行處理，得到不同球化狀態(tài)的珠光體組織，并搭建了非線性超聲測量系統(tǒng)，試驗測定了相應的非線性參數β。結果表明，隨著珠光體球化程度的增加，非線性參數呈現明顯增加的變化趨勢，可對材料的組織演化進行表征。

1 非線性超聲技術

傳統(tǒng)的超聲檢測技術是利用超聲波在材料內部的傳播過程中遇到缺陷時發(fā)生的反射、散射等行為來進行缺陷檢測和評價的，本質上反映的是缺陷和其周圍介質的聲阻抗差別。非線性超聲檢測則是利用超聲波在材料中傳播時，材料的不連續(xù)處與有限振幅聲波相互作用產生的非線性效應來進行材料性能評估和微小缺陷檢測的方法，本質上反映的是材料的不連續(xù)對超聲非線性參數的影響，這一特性使其在材料早期損傷(如組織變化、微孔洞、微裂紋等)的檢測與評價中得到了廣泛應用[8-11]。

實際材料內部總是存在著晶界、相界、缺陷等不連續(xù)，在小范圍內，應力σ與應變ε呈非線性關系[8]：

式中:σ為應力；ε為應變；E為楊氏模量；β和δ分別為二階和三階非線性參數。

固體介質非線性的存在，使得超聲波與固體介質發(fā)生非線性相互作用，從而產生高次諧波，此時，固體介質內一維縱波非線性波動方程的前兩項可表示為：

式中:c為縱波聲速；u為位移；x為縱波傳播距離。

式(2)的解可表示為[12]：

式中:A1為基波幅值；k為波數；為角頻率。

2 試驗過程

2.1 試樣制備及組織觀察

試驗用試樣的材料成分(質量分數)如表1所示，原始組織為片狀珠光體。試樣尺寸(長×寬×厚)為50 mm×40 mm×6 mm，等溫球化退火工藝如圖1所示，將試樣加熱至760 ℃保溫若干小時，爐冷至680 ℃再保溫相同時間后爐冷至550 ℃后空冷，得到不同球化程度的珠光體組織。

表1 試樣的材料成分(質量分數) %

圖1 球化退火工藝路線

將5個樣品用200～1 200號砂紙打磨后拋光，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，然后用金相顯微鏡觀察樣品顯微組織，試樣樣品編號、總保溫時間及球化程度如表2所示。

表2 保溫時間及球化程度

2.2 非線性參數測量

采用RAM-5000 非線性超聲檢測儀測量樣品的非線性參數β。測量系統(tǒng)框圖如圖2所示，其中放大器用來增強入射波的振幅，發(fā)射有限振幅聲波；計算機將接收到的反射信號和透射信號進行傅里葉變換，得到幅頻曲線，從而讀取基頻幅值和各個高倍頻諧波的幅值。所用發(fā)射探頭中心頻率為5 MHz，接收探頭中心頻率為10 MHz，探頭直徑均為10 mm。

圖2 非線性參數測量系統(tǒng)框圖

2.3 聲速和衰減系數測量

用脈沖反射法測量試樣的聲速，探頭頻率為5 MHz，利用公式v=2T/t(v為聲速，T為試樣厚度，t為二次反射回波和三次反射回波的時間差)計算超聲波在試樣中的傳播速度。

3 試驗結果與討論

試樣的原始組織為片狀珠光體，經過不同的熱處理工藝后，得到不同球化程度的珠光體組織，1#～5#樣品熱處理后的顯微組織如圖3所示。

由圖3可看出:熱處理時間不同，珠光體球化程度也不同，總保溫時間6 h的2#樣品還保留明顯的片狀形態(tài)，僅發(fā)生輕微球化;而總保溫時間18 h的5#樣品已嚴重球化。

不同熱處理工藝后，樣品的聲速和衰減系數分別如圖4,5所示，由圖可見，在珠光體組織有明顯變化的情況下，聲速和衰減系數都沒有明顯的變化。這是因為聲速主要與材料的彈性模量和密度有關，而彈性模量是對組織變化不敏感的力學性能指標，不同的熱處理工藝對材料的彈性模量和密度影響不大，因此聲速沒有明顯變化。超聲衰減的物理原因有散射、位錯阻尼、熱彈性效應、聲波與磁疇壁相互作用等，而散射是其中的主要原因。在沒有宏觀缺陷和界面的情況下，散射造成的衰減很小，樣品有限長度范圍內，其他原因造成的衰減也很小，故衰減系數沒有明顯變化。

圖3 不同熱處理工藝試樣的顯微組織

圖4 不同熱處理工藝后樣品的聲速

圖5 不同熱處理工藝后樣品的衰減系數

圖6 不同熱處理工藝后樣品的非線性參數

從圖6可看出，隨著保溫時間的增加，非線性參數呈單調增加的趨勢。一方面，滲碳體的球化增加了鐵素體基體內相界面的面積，聲波在傳播過程中非線性行為加?。涣硪环矫?，滲碳體球化過程的同時也發(fā)生石墨化，即Fe3CFe+C(石墨)，部分C呈游離石墨狀態(tài)存在于鐵素體基體內，最初石墨以細微的點狀存在，隨著保溫時間的增加，石墨逐漸長大成球狀。石墨與基體的結合程度很弱，它的存在相當于在材料內部存在著微小裂紋，造成聲波傳播的畸變，導致非線性效應加劇，非線性參數增大。

圖7 1#樣品的關系曲線

4 結語

基于非線性超聲的基本理論，建立了珠光體組織轉變的非線性超聲表征系統(tǒng)并進行了測量試驗。結果表明，珠光體組織轉變過程中，利用聲速、衰減系數等傳統(tǒng)超聲檢測參數不能很好地表征材料微觀組織的變化，而非線性參數呈現明顯增加的變化趨勢，可對材料的組織演化進行表征。后續(xù)通過進一步的研究，有望建立非線性參數-材料微觀組織-宏觀力學性能之間的關聯體系，為材料早期損傷和性能退化的無損評價提供參考依據。

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Nonlinear Ultrasonic Characterization of Pearlite Transformation

CHEN Jun, YANG Meng-zhe, LIN Li, LUO Zhong-bing

(Nondestructive Testing & Evaluation Laboratory, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Over-spheroidization of pearlite will cause the degradation of material mechanical properties, whereas the conventional linear ultrasonic testing is not sensitive to this microstructure change. To achieve different spheroidization states of pearlite, different heat treatment profiles were applied to T8 steel samples. The nonlinear coefficientβwas measured correspondingly by the experimental system. Results showed that there was no notable change in ultrasonic velocity and attenuation coefficient with the increase of the spheroidization degree of pearlite. However, the nonlinear coefficientβshowed a significant increase and it can be used to characterize the microstructure evolution of the material.

Pearlite spheroidization; Nonlinear parameter; Characterization

2016-07-26

陳 軍(1965-),男，博士，副教授，主要研究方向為材料無損檢測與評價。

陳 軍，E-mail: chenjun@dlut.edu.cn。

10.11973/wsjc201702001

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0001-04