金属材料马氏体相变声发射特性

蒋　鹏，张璐莹，王　骁，李　伟

(东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318)



金属材料马氏体相变声发射特性

蒋鹏，张璐莹，王骁，李伟

(东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318)

利用声发射技术对45钢、GCr15钢和T12钢三种材料进行连续冷却条件下马氏体相变监测试验，并以相变声发射参量分布及波形特性为基础，分析了马氏体相变声发射信号的时频特性。结果表明，GCr15钢具有明显的等温马氏体相变特征，45钢、T12钢为变温马氏体特征，且片状马氏体声发射信号幅值与能量高于板条状马氏体，具有较宽的频率范围。

马氏体相变；声发射；特征参量；频率特征

淬火是热处理工艺中的主要环节，是一种在快速降温过程中以大于临界冷却速度的速度快冷到Ms(马氏体相变开始温度)以下进行马氏体相变的热处理工艺[1]。然而,在马氏体的形成过程中，其组织界面的迁移速度很高，且相变模式多样，传统分析手段难以实现马氏体相变过程的实时动态检测，因此难以准确了解相变的动力特性和形态变化[2]。以马氏体相变过程中组织变化所产生的弹性波为声源，声发射信号直接来源于相变本身，能够动态检测马氏体相变的全过程，从而分析相变过程中不同材料的马氏体形成规律和组织形态[3]。

笔者以不同含碳量的45钢、GCr15钢和T12钢为对象，利用声发射信号参量及波形分析方法研究马氏体相变过程中的声发射信号分布规律及不同相变过程声发射参量的统计规律，并结合金相显微镜得到不同形态马氏体的波形及频率变化特征。

1　试验制备与方法

因为含碳量不同的材料，其马氏体相变过程的转变模式和最终的马氏体组织均有所不同，所以根据经典马氏体相变形态学理论，选择低、中、高碳钢三种材料，其化学成分如表1所示[4]。

声发射系统选择美国PAC公司的PCI-2系统，采用宽带传感器WD，传感器频率范围为100 kHz～1 000 kHz。利用波导杆与试件相连接以避免高温对传感器的损害，冷却介质为水。同时,利用热电偶获取试件温度变化并同步引入声发射系统。试验装置如图1所示。

表1　三种试件成分(质量分数)　%

图1　声发射数据采集试验装置简图

2　试验结果分析

2.1声发射信号参量分析

每三种试件为一组，共进行了20组试验。对试验结果进行分析，发现在马氏体相变过程中不同材料的马氏体相变声发射信号的分布规律有一定差异。

图2　三种试件的累加撞击数经历图

图2为三种试件的声发射撞击数(Hits)经历图，从图中可以看出:GCr15钢试件的Hits总数528，在三种试件中最多;45钢为217，T12钢为389。这主要是因为45钢与T12钢均为变温马氏体相变，相变量的多少只与温度变化有关。而GCr15钢除了具有变温马氏体特性外还伴随一定的等温马氏体相变特性，在温度降低到马氏体结束温度Mf后，伴随时间的增加还有马氏体不断形成，因此撞击数相对较多。GCr15钢在马氏体相变开始后，伴随马氏体的形核与长大，储存于奥氏体中弹性应变能被释放，并在晶体之间传播，进而形成了马氏体相变的声源。而当温度低于Mf时，组织内的残余奥氏体重新形核、长大，因此随着时间的变化始终伴随少量声发射信号的产生[5]。

同时对比三种试件的撞击数经历图，如图3所示，三种试件的撞击数峰值的出现时间也有所差别，45钢与T12钢的撞击数峰值出现在20 s左右，GCr15钢在50 s左右还出现了一个空增的撞击数。

图3　三种试件的撞击数经历图

图4为三种试件在马氏体相变过程中的声发射信号幅值分布图，试验过程中声发射系统门槛设置为35 dB。从图中的分布趋势可以看出，马氏体相变声发射信号幅值主要分布在35～60 dB间，其中35～50 dB间的信号占总信号量的80%。由此可见，马氏体相变的声发射幅值相对较低，相对于裂纹开裂形成的声发射信号幅值有明显的降低。同时三种试件的声发射信号幅值的时间分布也有所不同，45钢与T12钢的幅值主要分布在0～20 s间，GCr15钢由于具有等温相变特征而在50 s以后也有一些较高的幅值分布。

图4　三种试件的幅值经历图

图5为马氏体相变声发射信号幅值-撞击数的分布图，从图中可以看出，45钢的撞击数主要分布于35～40 dB间，GCr15钢分布于40～50 dB间，T12钢主要分布于45～60 dB间。

图5　三种试件的幅值-撞击分布图

从以上声发射的参量分析可以看出，由于三种试件的含碳量和相变动力学特性不同，因此在马氏体相变过程中声发射信号的特征参量具有一定的不同，GCr15钢的马氏体相变过程中声发射信号撞击数要多于其他两种试件，这主要是等温相变马氏体的形成受时间的影响。马氏体相变声发射振铃计数主要分布于0～30间，幅值分布于35～60 dB间，能量也较小(主要集中于0～80 dB之间)。如图6所示，三种试件由于不同的马氏体相变动力学特性和马氏体相变形态，因此在声发射参量特征上有所不同，其中等温相变马氏体的累计撞击数最多，而片状马氏体的幅值、能量及振铃计数最大。

图6　含碳量与声发射参数关系图

2.2声发射信号波形分析

金属的马氏体形态主要由其化学成分决定，根据金属相变理论可知，45钢的马氏体组织主要是板条状马氏体,GCr15钢则同时具有板条状与片状马氏体，而T12钢基本为片状马氏体。三种试件相变后的金相照片如图7所示。

图7　三种试件相变后的金相组织照片

马氏体相变声发射信号来源于马氏体相变组织本身，因此,不同马氏体组织的声发射信号具有不同的波形和频率特征。图8～11为不同马氏体组织声发射信号的波形和频谱图。从图中可以看出:马氏体相变声发射信号的波形呈现突发形特征，但不同形态马氏体的波形有所区别，一种上升时间较长，衰减趋势平缓、持续时间较长，而另一种波形前沿很陡，衰减较快。而两种声发射信号的频率范围也不尽相同，一种是峰值频率集中在200 kHz，频率范围较窄，频率成分集中；另一种峰值频率在300 kHz左右，且频率分布范围宽，频率成分多位于100 kHz～400 kHz间。

图8　45钢板条状马氏体信号波形与频谱

图9　GCr15钢板条状马氏体波形与频谱

图10　GCr15钢片状马氏体波形与频谱

图11　T12钢片状马氏体波形与频谱

这主要是由于板条状马氏体主要由高密度位错形成，其形核过程速度较低，微切变较少，因此在波形上呈现衰减较为平缓的突发性信号且峰值频率较低。而片状马氏体主要由孪晶结构组成，形核、长大过程极快，释放的弹性波强度很高，因此，其波形衰减很快且峰值频率较高。由此可以看出，不同组织形态的马氏体的声发射波形特征区别明显，因此利用声发射信号的波形分析能够准确地识别马氏体组织特征。

3　结论

采用声发射技术对三种不同含碳量金属材料的马氏体相变过程进行了动态监测，通过对马氏体相声发射信号的参量及波形分析，可以看出不同含碳量材料由于马氏体相变动力学特性的差别，其声发射信号的参量特征有所不同；并且，通过波形分析得到了不同形态马氏体的波形与频率特征。结果显示，应用声发射技术能够实现金属材料马氏体相变的动态监测，识别不同相变类型的声发射信号，进而得到材料马氏体相变的动态变化规律，为材料热处理过程的组织变化动态监测与评价提供了依据。

[1]常永坤.金属材料与热处理[M].济南：山东科学技术出版社，2006.

[2]谷臣清，付萍，贾建军.马氏体相变的弹性波促发形核[J].金属学报，2001，37 (8)：791-794.

[3]ENTWISLE A R. Martensitic transformation and mechanical properties of Ni-Mn-Ga-Y ferromagnetic shapememoryalloys[J].Scr Mater,2007,57(7):659-662.

[4]谭真，郭广文.工程合金热物性[M].北京：冶金工业出版社，1994：52-63.

[5]王艳，蒋学芳.马氏体相变形核机理[J].河北工业大学学报，2004，33(6)：102-104.

Martensite Transformation Characteristics of Metal Material Based on Acoustic Emission

JIANG Peng,ZHANG Lu-ying,WANG Xiao,LI Wei

(College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

In this paper,the acoustic emission technology is used to perform the martensite phase change monitoring experiment under continuous cooling conditions for three kinds of materials,45 steel,GCr15 steel and T12 steel,and to implement the time-frequency characteristic research based on acoustic emission parameter distribution and the waveform feature of the phase change. The results show that GCr15 steel has obvious phase transformation characteristics of isothermal martensite,45 steel and T12 steel have the characteristics of variable temperature martensite,and the acoustic emission signal amplitude and energy in lamellar martensite are higher than those in plate strip martensite,and the signal in lamellar martensite has a wide range of frequencies.

Martensite transformation;Acousticemission;Characteristic parameter;Frequency characteristic

2016-03-01

黑龙江省自然科学基金资助项目(E2016012)

蒋鹏(1981-)，男，讲师，博士，主要从事材料声发射特性研究。

蒋鹏，E-mail: jpnepu@163.com。

10.11973/wsjc201608005

TG161;TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0022-04