沈正祥， 吳彩保， 李靖琳， 翟彬彬， 蔡鵬輝， 黃煥東， 陳 虎， 譚繼東

(1. 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院， 浙江 寧波 315048;2. 浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310014; 3. 中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029)

35CrMo合金鋼具有較好的淬透性、強(qiáng)韌性和抗疲勞性能等，可在-100～500 ℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期服役，價(jià)格相對(duì)Cr-Ni鋼更低廉，廣泛應(yīng)用于機(jī)械裝備、汽車和石油化工等行業(yè)[1]。用作高負(fù)荷環(huán)境工作下結(jié)構(gòu)件，35CrMo鋼需進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，確保其強(qiáng)度和塑性均符合使用要求。調(diào)質(zhì)工藝一般指淬火+高溫回火處理，首先完全淬火獲得馬氏體，再經(jīng)高溫回火得到回火索氏體。這種加熱和冷卻過程決定鋼件的微觀結(jié)構(gòu)，如相變、晶界成長(zhǎng)、晶粒尺寸和形狀。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中，迄今仍采用光學(xué)顯微鏡觀察材料的微觀組織，成本高昂，樣品制備需花費(fèi)大量時(shí)間，顯然不適合現(xiàn)代化大生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測(cè)，因此，非破壞性檢測(cè)技術(shù)，諸如磁巴克豪森效應(yīng)(MBN)和磁滯回線等方法在材料結(jié)構(gòu)/性能在線檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

磁巴克豪森效應(yīng)指在外加交變磁場(chǎng)作用下，鋼件等鐵磁性材料局部的磁疇將發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)磁疇這種不可逆運(yùn)動(dòng)或跳躍性位移，將使材料表面釋放出持續(xù)的脈動(dòng)電壓或噪音[2]。由于材料內(nèi)部夾雜、晶界和位錯(cuò)等阻礙，磁疇壁運(yùn)動(dòng)變得不連續(xù)，導(dǎo)致接收的電壓或噪音信號(hào)發(fā)生突變，尤其應(yīng)力狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)巴克豪森噪聲信號(hào)強(qiáng)度有極大的影響。MBN是磁滯回線的一種重要屬性，此外來源于不可逆磁化過程的磁滯回線參量矯頑力，同樣對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化敏感，應(yīng)力、雜質(zhì)、氣孔等磁各向異性缺陷均會(huì)影響矯頑力大小[3]。

基于磁巴克豪森效應(yīng)和矯頑力的磁性能無損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)有許多報(bào)道，陳金忠等[4]開發(fā)了一套基于磁巴克豪森噪音的管道應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)裝備，并成功應(yīng)用于X60鋼管道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。劉柄顯等[5]利用磁巴克豪森噪音檢測(cè)裝置結(jié)合自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量了激光燒傷齒輪的馬氏體組織深度。楊理踐等[6]提出了通過矯頑力測(cè)試材料應(yīng)力，并得出矯頑力與應(yīng)力大小成正比。秦智軍等[7]研究了外加應(yīng)力對(duì)35號(hào)鋼磁特性的作用規(guī)律，并通過磁信號(hào)變化特征判斷構(gòu)件安全性。除此之外，磁性無損技術(shù)在材料硬度[8]、晶粒度[9]、老化[10]檢測(cè)方面均做了一些應(yīng)用嘗試。然而，現(xiàn)有研究大多聚焦于構(gòu)件外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，鮮見有關(guān)熱處理殘余應(yīng)力或組織變化無損檢測(cè)的報(bào)道，因此有必要開展材料在不同熱處理狀態(tài)下的磁特性研究。為此，本文以35CrMo鋼為研究對(duì)象，結(jié)合磁巴克豪森效應(yīng)和矯頑力兩種無損檢測(cè)技術(shù)，研究不同熱處理狀態(tài)對(duì)磁特性的作用規(guī)律，為35CrMo鋼產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測(cè)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為35CrMo合金鋼，主要化學(xué)成分如表1 所示。材料原始狀態(tài)為熱軋無縫圓管，規(guī)格為φ219 mm×12 mm。截取長(zhǎng)度320 mm管材，采用熱旋壓方式對(duì)兩端進(jìn)行收口，共加工2只殼體(見圖1)。調(diào)質(zhì)熱處理是改善鉻鉬鋼性能和使用壽命的重要環(huán)節(jié)[11]，參照某企業(yè)常用的熱處理工藝，利用連續(xù)式熱處理爐對(duì)2號(hào)殼體進(jìn)行850 ℃×0.45 h淬火+610 ℃×2 h回火的調(diào)質(zhì)處理，1號(hào)殼體保持原來的熱軋態(tài)，以獲得不同狀態(tài)的組織和性能。

表1 35CrMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖1 35CrMo鋼質(zhì)殼體Fig.1 Shell of the 35CrMo steel

對(duì)于鐵磁性材料，外加強(qiáng)磁場(chǎng)誘發(fā)的磁疇運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致宏觀磁特性發(fā)生變化，如磁滯效應(yīng)等物理現(xiàn)象，因而，基于磁滯回線原理可對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能變化進(jìn)行快速檢測(cè)[12]。對(duì)熱處理前后殼體的磁特性分別進(jìn)行無損檢測(cè)，如圖2所示，在殼體圓筒段選取4條代表性測(cè)量路徑，每條測(cè)量線選定4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，間隔d約為10 cm，相鄰兩條測(cè)量路徑對(duì)軸線的夾角約為90°。從側(cè)視圖上看，路徑2和3重合，實(shí)際上分別位于殼體的兩側(cè)。

圖2 殼體表面測(cè)試點(diǎn)分布Fig.2 Test points on surface of the shell

采用KRC-M2型鐵磁性材料結(jié)構(gòu)分析儀進(jìn)行磁特性測(cè)試，主要參數(shù)為磁矯頑力Hc(矯頑力參量本質(zhì)上是磁場(chǎng)強(qiáng)度)，測(cè)量范圍為1～40 A/cm，誤差為2.5%～5.0%。無需打磨和使用耦合劑，通過檢測(cè)材料表層可實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的無損評(píng)估。其次，利用國產(chǎn)先進(jìn)的磁巴克豪森噪聲檢測(cè)儀對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行復(fù)檢，該儀器主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、信號(hào)處理器和采集器、計(jì)算機(jī)模塊等組成，其檢測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖3，主要通過捕捉材料結(jié)構(gòu)或損傷變化導(dǎo)致磁疇運(yùn)動(dòng)所需的能量改變，進(jìn)而引起磁巴克豪森噪聲信號(hào)的變化規(guī)律，基于磁巴克豪森噪聲信號(hào)特征值與應(yīng)力的標(biāo)定曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料應(yīng)力的定量檢測(cè)[13]。最后，對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行打磨拋光，利用MH660型便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度測(cè)試。采用JXD-Pro型現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)顯微鏡觀察殼體熱處理前后微觀組織變化特征。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖[13]Fig.3 Schematic diagram of detection system[13]

2 結(jié)果分析與討論

2.1 結(jié)構(gòu)與性能

熱處理是改善金屬材料及構(gòu)件內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。35CrMo鋼無縫鋼管一般采用熱軋生產(chǎn)工藝，由于受加工成型和冷卻速度的影響，鋼管會(huì)產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力。為改善材料組織的均勻性和穩(wěn)定性，減小內(nèi)部殘余應(yīng)力水平，常對(duì)鋼管進(jìn)行退火處理。磁矯頑力對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和性能變化非常靈敏，可用于鋼材等級(jí)分類甚至淬火、回火及退火效果評(píng)價(jià)[14]。

圖4為不同熱處理階段35CrMo鋼殼體表面矯頑力分布云圖，原始35CrMo鋼為熱軋狀態(tài)，未經(jīng)退火處理，如圖4(a)所示，矯頑力測(cè)試結(jié)果為9.2～11.5 A/cm，矯頑力分布范圍較寬，波動(dòng)幅度大，表明原始材料組織和性能不均勻，局部可能存在應(yīng)力集中。35CrMo鋼殼體淬火處理后，如圖4(b)所示，矯頑力整體大幅提升，測(cè)試結(jié)果為19.60～20.87 A/cm，波動(dòng)幅度收窄，但分布不均，局部存在“熱點(diǎn)”(見圖4(b)中的深色區(qū)域)。這是由于淬火導(dǎo)致馬氏體相變，晶粒尺寸減小，位錯(cuò)密度增加，“針狀”晶界交錯(cuò)使得磁疇運(yùn)動(dòng)阻力變大，矯頑力也隨之達(dá)最高水平。高溫回火后，馬氏體內(nèi)應(yīng)力消除，矯頑力水平雖然大幅降低，但分布變得更均勻，如圖4(c)所示，矯頑力測(cè)試結(jié)果為12.0～12.9 A/cm。需要說明的是，35CrMo鋼原始組織為鐵素體和珠光體(見圖5(a))，調(diào)質(zhì)處理后轉(zhuǎn)化為回火索氏體，其本質(zhì)上仍為鐵素體和滲碳體混合物，但由于晶粒細(xì)化作用(見圖5(b))，回火態(tài)35CrMo鋼殼體矯頑力水平仍高于其原始狀態(tài)[15]。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下35CrMo鋼殼體的矯頑力分布云圖(a)原始態(tài)；(b)淬火態(tài)；(c)回火態(tài)Fig.4 Contour fields of coercive force of the 35CrMo steel shell under different heat treatment states(a) original state； (b) quenched； (c) tempered

對(duì)測(cè)量路徑上硬度和矯頑力的測(cè)試結(jié)果分別取平均值，圖6(a)為不同狀態(tài)下35CrMo鋼殼體的矯頑力和硬度均值分布，可以看出矯頑力與硬度值的變化趨勢(shì)基本一致，其與晶粒形狀、尺寸、位錯(cuò)密度甚至碳化物分布相關(guān)[16]。淬火態(tài)下，由于馬氏體相變硬化效應(yīng)，組織細(xì)化加上內(nèi)部的高位錯(cuò)密度，磁疇壁運(yùn)動(dòng)難度增加，此時(shí)硬度值和矯頑力均為最大。高溫回火后，回火索氏體主要由細(xì)晶鐵素體基體和均勻分布的滲碳體顆粒構(gòu)成，硬度值和矯頑力均值雖大幅降低，總體上仍高于原始組織。對(duì)35CrMo鋼硬度值和矯頑力變化幅度進(jìn)行量化表征，如圖6(b)所示，35CrMo鋼淬火后硬度值由443.81 HL提升至846.68 HL，增幅約90.70%；矯頑力也由10.42 A/cm 提升至19.85 A/cm，增幅約90.40%；回火后硬度值降為523.63 HL，矯頑力降為12.50 A/cm；相對(duì)于原始態(tài)，硬度值和矯頑力最終的增幅仍有17.98%和19.96%。基于矯頑力和硬度值之間這種近似線性的內(nèi)在關(guān)系[17]，可嘗試?yán)贸C頑力無損檢測(cè)技術(shù)替代材料性能破壞性檢測(cè)方法。

圖5 35CrMo鋼的顯微組織(a)原始態(tài)；(b)回火態(tài)Fig.5 Microstructure of the 35CrMo steel(a) original state； (b) tempered

圖6 35CrMo鋼殼體的矯頑力和硬度(a)分布;(b)變化幅度Fig.6 Coercive force and hardness of the 35CrMo steel shell(a) distribution； (b) variation

2.2 應(yīng)力狀態(tài)

殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中產(chǎn)生的勢(shì)能壘會(huì)阻礙磁疇運(yùn)動(dòng)，從而影響磁巴克豪森噪音(MBN)信號(hào)，基于此關(guān)系可以判斷材料的應(yīng)力應(yīng)變狀況[18]。不同的MBN信號(hào)特征值與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系不同，選用均方根作為MBN信號(hào)特征值[19]，通過典型試樣的加載試驗(yàn)，建立35CrMo鋼應(yīng)力-均方根的標(biāo)定曲線(見圖7(a))，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行35CrMo鋼殼體應(yīng)力水平的無損評(píng)估。圖7(b)為35CrMo鋼殼體原始態(tài)、淬火和回火態(tài)的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，盡管不同測(cè)量路徑、測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力值波動(dòng)較大，但整體變化趨勢(shì)為淬火態(tài)>原始態(tài)>回火態(tài)。MBN信號(hào)受材料成分、微觀組織和殘余應(yīng)力的綜合影響，其中微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力水平與材料加工及熱處理狀態(tài)密切相關(guān)。在35CrMo鋼熱軋過程中，不均勻冷卻或加工成形會(huì)使其內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。由于未經(jīng)正火或退火處理，晶粒粗大，組織均勻性和穩(wěn)定性均欠佳，鍛造殼體的殘余應(yīng)力仍保持較高水平。淬火處理后，35CrMo鋼馬氏體相變產(chǎn)生的組織應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力疊加，導(dǎo)致整體應(yīng)力急劇上升。經(jīng)高溫回火，部分內(nèi)應(yīng)力消除，組織均勻化，殘余應(yīng)力水平降到最低，相應(yīng)的材料性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖7 35CrMo鋼殼體的標(biāo)定曲線(a)及應(yīng)力狀態(tài)(b)Fig.7 Calibration curve(a) and stress state(b) of the 35CrMo steel shell

3 結(jié)論

針對(duì)不同熱處理狀態(tài)下的35CrMo鋼組織和性能，通過磁矯頑力和磁巴克豪森噪音(MBN)檢測(cè)技術(shù)分析其磁特性變化規(guī)律，并與硬度測(cè)試進(jìn)行對(duì)比。

1) 35CrMo鋼原始組織不均勻，矯頑力為10.42 A/cm；淬火使35CrMo鋼晶粒細(xì)化，矯頑力提高至19.85 A/cm，增幅約90.40%；回火后，組織均勻化，矯頑力降至12.50 A/cm，但與原始態(tài)相比，最終的增加幅度仍有19.96%。

2) 磁巴克豪森噪音(MBN)測(cè)試結(jié)果顯示原始態(tài)35CrMo鋼存在較大的局部應(yīng)力，淬火后應(yīng)力集中明顯，高溫回火后，部分內(nèi)應(yīng)力消除，組織均勻化，殘余應(yīng)力水平降到最低。

3) 原始態(tài)35CrMo鋼表面硬度為443.81 HL，淬火后硬度提升至846.68 HL，高溫回火后硬度最終降至523.63 HL。35CrMo鋼的硬度與磁特性變化基本一致，表明磁性無損檢測(cè)技術(shù)可有效表征不同熱處理狀態(tài)下的材料組織與性能。