珠光体组织转变的非线性超声表征

陈 军，杨孟哲，林 莉，罗忠兵

(大连理工大学 无损检测研究所，大连 116024)

珠光体组织转变的非线性超声表征

陈 军，杨孟哲，林 莉，罗忠兵

(大连理工大学 无损检测研究所，大连 116024)

珠光体的过度球化会导致材料力学性能的下降，常规线性超声检测技术对材料的组织变化不敏感。采用不同的热处理工艺对T8钢试样进行处理，得到不同球化状态的珠光体组织， 并建立了珠光体组织转变的非线性超声测量系统，试验测定了相应的非线性参数β。结果表明，随着珠光体球化程度增加，声速和衰减系数无明显变化，而非线性参数β呈现显著增加的趋势，可对材料的组织演化进行表征。

珠光体球化；非线性参数；表征

压力容器用碳素钢和低合金钢常温组织为铁素体加珠光体，珠光体中的铁素体和渗碳体呈薄片状相互间夹。这种片状珠光体结构并不稳定，温度较高时，原子活动力增强，扩散速度增加，片状渗碳体转变为珠状，再逐渐聚成大球团，从而使得材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、蠕变和持久极限等力学性能指标下降，影响服役的安全性[1-2]。无损检测技术已经广泛地应用于国民经济的各个行业，但传统的超声检测方法对材料微观组织的变化不敏感；有研究表明[3-4]，材料本身不连续的产生总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为，从而引起超声波传播的非线性(如波形畸变、高次谐波等)的产生，并且这种非线性效应与材料细微组织变化和早期力学性能退化具有明显的相互作用和依存关系。对此，很多学者进行了大量研究[5-7]，但研究主要集中在微小缺陷引起的非线性行为上，而对组织变化引起的非线性行为的研究较少。目前一般采用金相观察法确定珠光体球化级别，属于有损检验方法，其存在程序繁琐、周期长、不易实施等问题。建立珠光体组织转变的非线性超声无损评价方法，对于快速简便地确定珠光体球化程度、保障材料的安全服役具有重要意义。

笔者对T8钢试样采用不同的热处理工艺进行处理，得到不同球化状态的珠光体组织，并搭建了非线性超声测量系统，试验测定了相应的非线性参数β。结果表明，随着珠光体球化程度的增加，非线性参数呈现明显增加的变化趋势，可对材料的组织演化进行表征。

1 非线性超声技术

传统的超声检测技术是利用超声波在材料内部的传播过程中遇到缺陷时发生的反射、散射等行为来进行缺陷检测和评价的，本质上反映的是缺陷和其周围介质的声阻抗差别。非线性超声检测则是利用超声波在材料中传播时，材料的不连续处与有限振幅声波相互作用产生的非线性效应来进行材料性能评估和微小缺陷检测的方法，本质上反映的是材料的不连续对超声非线性参数的影响，这一特性使其在材料早期损伤(如组织变化、微孔洞、微裂纹等)的检测与评价中得到了广泛应用[8-11]。

实际材料内部总是存在着晶界、相界、缺陷等不连续，在小范围内，应力σ与应变ε呈非线性关系[8]：

式中:σ为应力；ε为应变；E为杨氏模量；β和δ分别为二阶和三阶非线性参数。

固体介质非线性的存在，使得超声波与固体介质发生非线性相互作用，从而产生高次谐波，此时，固体介质内一维纵波非线性波动方程的前两项可表示为：

式中:c为纵波声速；u为位移；x为纵波传播距离。

式(2)的解可表示为[12]：

式中:A1为基波幅值；k为波数；为角频率。

2 试验过程

2.1 试样制备及组织观察

试验用试样的材料成分(质量分数)如表1所示，原始组织为片状珠光体。试样尺寸(长×宽×厚)为50 mm×40 mm×6 mm，等温球化退火工艺如图1所示，将试样加热至760 ℃保温若干小时，炉冷至680 ℃再保温相同时间后炉冷至550 ℃后空冷，得到不同球化程度的珠光体组织。

表1 试样的材料成分(质量分数) %

图1 球化退火工艺路线

将5个样品用200～1 200号砂纸打磨后抛光，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，然后用金相显微镜观察样品显微组织，试样样品编号、总保温时间及球化程度如表2所示。

表2 保温时间及球化程度

2.2 非线性参数测量

采用RAM-5000 非线性超声检测仪测量样品的非线性参数β。测量系统框图如图2所示，其中放大器用来增强入射波的振幅，发射有限振幅声波；计算机将接收到的反射信号和透射信号进行傅里叶变换，得到幅频曲线，从而读取基频幅值和各个高倍频谐波的幅值。所用发射探头中心频率为5 MHz，接收探头中心频率为10 MHz，探头直径均为10 mm。

图2 非线性参数测量系统框图

2.3 声速和衰减系数测量

用脉冲反射法测量试样的声速，探头频率为5 MHz，利用公式v=2T/t(v为声速，T为试样厚度，t为二次反射回波和三次反射回波的时间差)计算超声波在试样中的传播速度。

3 试验结果与讨论

试样的原始组织为片状珠光体，经过不同的热处理工艺后，得到不同球化程度的珠光体组织，1#～5#样品热处理后的显微组织如图3所示。

由图3可看出:热处理时间不同，珠光体球化程度也不同，总保温时间6 h的2#样品还保留明显的片状形态，仅发生轻微球化;而总保温时间18 h的5#样品已严重球化。

不同热处理工艺后，样品的声速和衰减系数分别如图4,5所示，由图可见，在珠光体组织有明显变化的情况下，声速和衰减系数都没有明显的变化。这是因为声速主要与材料的弹性模量和密度有关，而弹性模量是对组织变化不敏感的力学性能指标，不同的热处理工艺对材料的弹性模量和密度影响不大，因此声速没有明显变化。超声衰减的物理原因有散射、位错阻尼、热弹性效应、声波与磁畴壁相互作用等，而散射是其中的主要原因。在没有宏观缺陷和界面的情况下，散射造成的衰减很小，样品有限长度范围内，其他原因造成的衰减也很小，故衰减系数没有明显变化。

图3 不同热处理工艺试样的显微组织

图4 不同热处理工艺后样品的声速

图5 不同热处理工艺后样品的衰减系数

图6 不同热处理工艺后样品的非线性参数

从图6可看出，随着保温时间的增加，非线性参数呈单调增加的趋势。一方面，渗碳体的球化增加了铁素体基体内相界面的面积，声波在传播过程中非线性行为加剧；另一方面，渗碳体球化过程的同时也发生石墨化，即Fe3CFe+C(石墨)，部分C呈游离石墨状态存在于铁素体基体内，最初石墨以细微的点状存在，随着保温时间的增加，石墨逐渐长大成球状。石墨与基体的结合程度很弱，它的存在相当于在材料内部存在着微小裂纹，造成声波传播的畸变，导致非线性效应加剧，非线性参数增大。

图7 1#样品的关系曲线

4 结语

基于非线性超声的基本理论，建立了珠光体组织转变的非线性超声表征系统并进行了测量试验。结果表明，珠光体组织转变过程中，利用声速、衰减系数等传统超声检测参数不能很好地表征材料微观组织的变化，而非线性参数呈现明显增加的变化趋势，可对材料的组织演化进行表征。后续通过进一步的研究，有望建立非线性参数-材料微观组织-宏观力学性能之间的关联体系，为材料早期损伤和性能退化的无损评价提供参考依据。

[1] 严伟，张国福，丘思晓，等. 珠光体球化对20G拉伸力学性能的影响[J].压力容器，2003，20(8):10-13.

[2] 李杜鸣. 在用压力容器珠光体球化及安全状况等级评定[J].中国特种设备安全，2005，21(5):5-7.

[3] 钱祖文. 非线性声学[M].北京：科学出版社，1992.

[4] 陈鹏，师小红，徐章遂. 基于非线性超声的疲劳裂纹检测中二次谐波的激发效率[J].无损检测，2010，32(11)：865-867.

[5] BRODA D, STASZEWSKI W J, MARTOWICA A, et al. Modelling of nonlinear crack-wave interactions for damage detection based on ultrasound -a review[J].Journal of Sound and Vibration, 2014, 333:1097-1118.

[6] 颜丙生，张士雄. LY12铝合金疲劳损伤的非线性超声检测[J].航空材料学报，2012，32(2):93-98.

[7] BALASUBRAMANIAM K, VALLURI J S, PRAKASH R V P. Creep damage characterization using low amplitude nonlinear ultrasonic technique[J].Materials Characterization, 2011, 62:275-286.

[8] 项延训. HP40Nb合金钢高温劣化的非线性超声评价[J].声学技术，2012，31(6):578-582.

[9] 徐从元，姜文华. 疲劳金属材料非线性声学特性的实验研究[J].南京大学学报(自然科学版)，2000，36(3):328-335.

[10] NOVAK A, BENTAHAR M, TOURNAT V, et al. Nonlinear acoustic characterization of micro-damaged materials through higher harmonic resonance analysis[J].NDT & E International, 2012, 45:1-8.

[11] 陆铭慧，徐肖霞. 非线性超声检测方法及应用[J].无损检测，2012,34(7)：61-65.

[12] KIM C S, PARK I K, JHANG K Y. Nonlinear ultrasonic characterization of thermal degradation in ferritic 2.25Cr-1Mo steel[J].NDT&E International, 2009, 42:204-209.

[13] 孙锦中. P91钢高温损伤的非线性超声检测[J].上海电力学院学报，2015(3):278-282.

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

陈 军(1965-),男，博士，副教授，主要研究方向为材料无损检测与评价。

陈 军，E-mail: chenjun@dlut.edu.cn。

10.11973/wsjc201702001

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0001-04