30CrMnSiA 钢回火组织对超声信号影响的试验研究

张 琦 ， 欧阳小琴 ， 张 尤 ， 邬冠华

（1.江西省锅炉压力容器检验检测研究院，南昌 330029；2.中航工业洪都航空工业集团 理化中心，南昌 330024；3.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063）

0 引言

30CrMnSiA 钢是具有较高强度和良好韧性的中碳低合金钢，常用于飞机结构中的大梁、框架和标准件，是重要的受力部件，多在淬火后回火状态下使用。不同的回火温度会导致材料的组织和性能产生差异[1]，且30CrMnSiA 钢具有回火脆性[2]，材料性能受回火温度影响很大；因此掌握不同回火温度下材料的组织及性能是很有必要的。现有的测试回火组织与性能的方法多为硬度测试（布氏或洛氏硬度），针对回火脆性的检测方法为冲击检测[3]和内耗法[4]。上述方法均属于破坏性检测，存在检测时间长、具有破坏性等缺点，难以对在役构件进行检测。

针对材料组织无损评价，国内外学者经大量研究发现材料组织对涡流、磁巴克豪森噪声和超声等信号有一定的影响，并借助影响规律得出了相应的检测方法。如Konoplyuk[5]利用涡流法较好地评价了不同成分铸铁的基体结构并测定了球墨铸铁中珠光体的含量；祁欣等[6]研究得出铁磁性材料的巴克豪森噪声信号随马氏体含量、碳含量的变化情况。但涡流因集肤效应而无法到达材料内部，磁巴克豪森噪声只能在铁磁性材料中产生，两者均有局限性。

相对而言，超声波能量高、指向性好、穿透能力强，且对于材料组织的连续性的不均匀分布有较高的敏感性，在材料组织对超声波的影响方面已有一定的研究和应用，如用超声声速、声衰减系数表征材料晶粒尺寸和材料硬度：Palanichamy P 等[7]借助超声声速测量了316 型不锈钢中的晶粒尺寸；卢逸凡[8]、万江[9]对多种高温合金进行了微观组织与超声传播特性关系的研究。本研究通过检测超声波在30CrMnSiA 不同回火状态下材料的传播特性的变化，分析超声纵波声速、声衰减系数和底波频移等参数与30CrMnSiA 的回火程度的关系，为采用超声检测方法对30CrMnSiA 回火组织进行无损评价提供参考。

1 超声与材料组织作用原理

超声波与材料显微组织和结构相互作用引起的传播速度的变化和声波能量损失，是超声波受材料组织和性能影响时变化明显的2 个主要参数[10]。超声纵波理论声速如式(1)所示，其影响因素为材料弹性模量和材料密度，弹性模量与原子间作用力和原子间距有关，金属材料的密度也与组织结构有关，故声速与金属材料内部的组织结构和晶体取向有必然的联系[11]，理论上是可以采用超声纵波声速表征回火状态下材料的组织与性能。

式中：CL为声速；E 为介质的弹性模量； ρ为介质的密度；σ 为介质的泊松比。

在多晶金属材料中，超声波能量损失，即超声波衰减，损失最大的部分是由晶粒散射引起的。超声波能量损失的计算常用超声波衰减系数计算公式计算，见式（2）。

式中：m 为底波的反射次数；n 为底波的反射次数；Bm、Bn分别为第m、n 次底波高度。

材料中的杂质、晶粒、内应力、第二相、多晶体晶界等非均匀性，都会造成散射衰减、超声波的衰减则几乎与上述所有参数都有明显的相关性。例如，在多晶金属中体现的关键参数是晶粒结构、形态和位错密度，这些对衰减均有强烈的作用；因此，从不同角度来看，弹性模量、材料显微结构、晶粒形态都会对超声特征参数产生影响，甚至存在良好的相关性。研究表明，SAE4340钢回火组织中，超声衰减系数变化规律为：铁素体+珠光体＞贝氏体＞回火屈氏体＞回火马氏体，且珠光体的片层间距与超声衰减系数有一定的关系[12]。利用超声衰减系数受材料组织影响的规律对材料进行无损评价已取得一定的实际应用，其中比较成功的是用超声声速表征球磨铸铁的球化率[13-14]。

2 试验材料及方法

30CrMnSiA 钢试样取自入厂复验的原材料，经过机械加工制成试样若干。热处理淬火温度为(860±5) ℃，回火温度为200～700 ℃（控制精度为±3 ℃）。磨削加工后进行硬度采集、超声检测和金相实验。

1）硬度采集：用HR-150A 型洛氏硬度计测量硬度，载荷为150 N，测量精度为HRC ±1。各试样待测区域随机测量3 个点的硬度，取平均值作为试样硬度。

2）超声检测：使用搭建的超声水浸聚焦检测系统，脉冲发射接收仪器型号为OLYMPUS5077PR，水浸聚焦探头频率为10 MHz，焦距为10 mm，点聚焦，采集卡为Picoscope 高速数据采集卡（采用率1 G），声速测量精度为±5 m/s，衰减测量精度为±0.02 dB/mm，底波频移测量精度±0.05 MHz。在试样待测区域随机选择5 个点采集超声检测信号，每点声学信号包含32 帧，依据式（1）、式（2）和频域转换，通过编程对各帧信号进行处理得到超声纵波声速、声衰减系数和底波频移，取32 帧平均值作为该点特征值，再取5 点特征值的平均值作为该试样特征值。

3）金相实验：硬度和超声数据采集结束后，对试样进行打磨、抛光，用5%(体积分数)的硝酸酒精行腐蚀后，在光学显微镜进行金相观察并采集图像。

3 结果分析及讨论

试样回火温度与硬度、超声纵波声速、声衰减系数和底波频移的关系如图1 所示。分析图1，回火温度对应的材料硬度、超声纵波声速、声衰减系数和底波频移可分成4 个部分。

图1 30CrMnSiA 回火温度与硬度、超声检测参数的关系Fig.1 Relationship between tempering temperature of 30CrMnSiA and hardness, ultrasonic testing parameters

1）回火温度200～380 ℃的组织与声信号。

回火温度为200～380 ℃时，材料硬度由HRC 50 降至HRC 40，声速为5885～5891 m/s，接近测量误差±5 m/s，声衰减系数由0.14 dB/mm 增大至0.17 dB/mm，底波频移量由1.361 MHz 增大至1.885 MHz。组织如图2 所示，可见清晰的回火马氏体。此后马氏体开始分解，马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物的形式析出，马氏体中碳的过饱和程度不断降低，晶格畸变程度也减弱，转变为回火马氏体，内应力有所降低，声速稍微降低，衰减提高，底波频移提高。

2）回火温度380～540 ℃的组织与声信号。

回火温度达到380 ℃时，残余奥氏体分解，马氏体在450 ℃甚至500 ℃回火后仍能保持一定的正方度。当钢中存在浓度足够高的强碳化物形成元素时，形成的高度弥散的特殊碳化物，ε 相碳化物分解，420 ℃时θ 相碳化物开始析出，渗碳体的聚集长大，钢内形成了细粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的两相混合物[15]。此时的组织如图3所示，为回火屈氏体，由马氏体回火后形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。与回火马氏体相比，该种组织硬度为HRC 37，硬度有所降低，该组织声速增大至5916 m/s，较前者高出近30 m/s，衰减降低至0.13 dB/mm，但变化不大，底波频移变化明显，降低至0.793 MHz。

图2 回火温度为200 ℃时30CrMnSiA 组织Fig.2 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 200 ℃

图3 回火温度为380 ℃时30CrMnSiA 组织Fig.3 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 380 ℃

3）回火温度540～620 ℃的组织与声信号。

在温度为540～620 ℃回火后得到回火索氏体，此时铁素体基体内分布着细小球状碳化物（包括渗碳体）的复相组织，如图4 所示。与其他合金钢相似，淬火后在500～550 ℃之间回火时，P、Sn、Sb、As 等杂质元素会在540～600 ℃温度向原奥氏体晶界偏聚，导致高温回火脆性；Ni、Mn 等元素可以和P、Sb 等杂质元素发生晶界协同偏聚，Cr 元素则又促进这种协同偏聚，所以这些元素都加剧钢的高温回火脆性[16]。受回火脆性影响，在这一阶段，所测的材料硬度以及纵波声速、声衰减系数、底波频移等各项参数波动较大。碳化物沿原奥氏体晶界分布而形成的沿晶断裂导致了回火脆性的产生，而碳化物声速远高于基体，导致声速异常升高，且沿晶分布的碳化物对声波的散射作用增加，导致声衰减和底波频移不同于基体组织。据此，可以在实际检测中，对同一试样进行多点超声检测，通过声速等声学特征参数的波动幅度来判断材料是否出现回火脆性，避免因使用具有回火脆性的材料而导致工件在服役中产生危害。

图4 回火温度为610 ℃时30CrMnSiA 组织Fig.4 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 610 ℃

4）回火温度620～700 ℃的组织与声信号。

回火温度在620～700 ℃时，组织为铁素体+珠光体，如图5 所示。此时声速稳定在5910 m/s，超声波衰减主要是由于珠光体的片层组织导致，声波容易被吸收，衰减与珠光体片层间距有关[11]，声衰减系数先降后升，底波频移先升后降。

图5 回火温度为700 ℃时30CrMnSiA 组织Fig.5 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 700 ℃

将30CrMnSiA 钢各回火组织的硬度、超声声速、衰减及底波频移数据进行整理，取温度区间内参数值的测量平均值，结果见表1。其中，540～620 ℃回火得到回火索氏体组织，由于回火脆性的影响，声速、声衰减及底波频移大幅度波动，取平均值无实际指导意义。由表1 可知，虽然30CrMnSiA 钢不同回火温度得到的组织对超声检测特征参数影响不同，但影响规律不明显。随回火温度升高，30CrMnSiA 钢回火组织依次为回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体、铁素体+珠光体，硬度逐渐降低；超声检测特征参数中，除回火索氏体外，随回火温度升高，声速增加，底波频移降低；620～700 ℃回火组织铁素体+珠光体的声衰减系数较回火马氏体和回火屈氏体的声衰减系数高。通过检测超声波在30CrMnSiA 不同回火组织中传播特性的变化，初步分析了超声纵波声速、声衰减系数和底波频移等参数与30CrMnSiA 的回火组织的对应关系，为超声波评价该种材料回火程度的可能性做了初步研究。

表1 各回火组织的硬度、超声声速、衰减及底波频移数据Table 1 Hardness, ultrasonic velocity, attenuation and bottom wave frequency shift data of each tempered microstructure

4 结论

1）随回火温度增加，30CrMnSiA 钢回火组织依次为回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体、铁素体+珠光体，硬度逐渐下降。

2）在回火马氏体、回火屈氏体、铁素体+珠光体的不同回火组织进行超声检测时，超声声速呈增大趋势，底波频移呈下降趋势。

3）在540～620 ℃回火时，受回火脆性组织中碳化物晶界分布的不规律影响，超声检测特征参数值不稳定。