蔣　鵬，張璐瑩，王　驍，李　偉

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318)

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金屬材料馬氏體相變聲發(fā)射特性

蔣鵬，張璐瑩，王驍，李偉

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318)

利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)45鋼、GCr15鋼和T12鋼三種材料進(jìn)行連續(xù)冷卻條件下馬氏體相變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并以相變聲發(fā)射參量分布及波形特性為基礎(chǔ)，分析了馬氏體相變聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻特性。結(jié)果表明，GCr15鋼具有明顯的等溫馬氏體相變特征，45鋼、T12鋼為變溫馬氏體特征，且片狀馬氏體聲發(fā)射信號(hào)幅值與能量高于板條狀馬氏體，具有較寬的頻率范圍。

馬氏體相變；聲發(fā)射；特征參量；頻率特征

淬火是熱處理工藝中的主要環(huán)節(jié)，是一種在快速降溫過(guò)程中以大于臨界冷卻速度的速度快冷到Ms(馬氏體相變開(kāi)始溫度)以下進(jìn)行馬氏體相變的熱處理工藝[1]。然而,在馬氏體的形成過(guò)程中，其組織界面的遷移速度很高，且相變模式多樣，傳統(tǒng)分析手段難以實(shí)現(xiàn)馬氏體相變過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，因此難以準(zhǔn)確了解相變的動(dòng)力特性和形態(tài)變化[2]。以馬氏體相變過(guò)程中組織變化所產(chǎn)生的彈性波為聲源，聲發(fā)射信號(hào)直接來(lái)源于相變本身，能夠動(dòng)態(tài)檢測(cè)馬氏體相變的全過(guò)程，從而分析相變過(guò)程中不同材料的馬氏體形成規(guī)律和組織形態(tài)[3]。

筆者以不同含碳量的45鋼、GCr15鋼和T12鋼為對(duì)象，利用聲發(fā)射信號(hào)參量及波形分析方法研究馬氏體相變過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)分布規(guī)律及不同相變過(guò)程聲發(fā)射參量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并結(jié)合金相顯微鏡得到不同形態(tài)馬氏體的波形及頻率變化特征。

1　試驗(yàn)制備與方法

因?yàn)楹剂坎煌牟牧希漶R氏體相變過(guò)程的轉(zhuǎn)變模式和最終的馬氏體組織均有所不同，所以根據(jù)經(jīng)典馬氏體相變形態(tài)學(xué)理論，選擇低、中、高碳鋼三種材料，其化學(xué)成分如表1所示[4]。

聲發(fā)射系統(tǒng)選擇美國(guó)PAC公司的PCI-2系統(tǒng)，采用寬帶傳感器WD，傳感器頻率范圍為100 kHz～1 000 kHz。利用波導(dǎo)桿與試件相連接以避免高溫對(duì)傳感器的損害，冷卻介質(zhì)為水。同時(shí),利用熱電偶獲取試件溫度變化并同步引入聲發(fā)射系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

表1　三種試件成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

圖1　聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1聲發(fā)射信號(hào)參量分析

每三種試件為一組，共進(jìn)行了20組試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在馬氏體相變過(guò)程中不同材料的馬氏體相變聲發(fā)射信號(hào)的分布規(guī)律有一定差異。

圖2　三種試件的累加撞擊數(shù)經(jīng)歷圖

圖2為三種試件的聲發(fā)射撞擊數(shù)(Hits)經(jīng)歷圖，從圖中可以看出:GCr15鋼試件的Hits總數(shù)528，在三種試件中最多;45鋼為217，T12鋼為389。這主要是因?yàn)?5鋼與T12鋼均為變溫馬氏體相變，相變量的多少只與溫度變化有關(guān)。而GCr15鋼除了具有變溫馬氏體特性外還伴隨一定的等溫馬氏體相變特性，在溫度降低到馬氏體結(jié)束溫度Mf后，伴隨時(shí)間的增加還有馬氏體不斷形成，因此撞擊數(shù)相對(duì)較多。GCr15鋼在馬氏體相變開(kāi)始后，伴隨馬氏體的形核與長(zhǎng)大，儲(chǔ)存于奧氏體中彈性應(yīng)變能被釋放，并在晶體之間傳播，進(jìn)而形成了馬氏體相變的聲源。而當(dāng)溫度低于Mf時(shí)，組織內(nèi)的殘余奧氏體重新形核、長(zhǎng)大，因此隨著時(shí)間的變化始終伴隨少量聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生[5]。

同時(shí)對(duì)比三種試件的撞擊數(shù)經(jīng)歷圖，如圖3所示，三種試件的撞擊數(shù)峰值的出現(xiàn)時(shí)間也有所差別，45鋼與T12鋼的撞擊數(shù)峰值出現(xiàn)在20 s左右，GCr15鋼在50 s左右還出現(xiàn)了一個(gè)空增的撞擊數(shù)。

圖3　三種試件的撞擊數(shù)經(jīng)歷圖

圖4為三種試件在馬氏體相變過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)幅值分布圖，試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射系統(tǒng)門檻設(shè)置為35 dB。從圖中的分布趨勢(shì)可以看出，馬氏體相變聲發(fā)射信號(hào)幅值主要分布在35～60 dB間，其中35～50 dB間的信號(hào)占總信號(hào)量的80%。由此可見(jiàn)，馬氏體相變的聲發(fā)射幅值相對(duì)較低，相對(duì)于裂紋開(kāi)裂形成的聲發(fā)射信號(hào)幅值有明顯的降低。同時(shí)三種試件的聲發(fā)射信號(hào)幅值的時(shí)間分布也有所不同，45鋼與T12鋼的幅值主要分布在0～20 s間，GCr15鋼由于具有等溫相變特征而在50 s以后也有一些較高的幅值分布。

圖4　三種試件的幅值經(jīng)歷圖

圖5為馬氏體相變聲發(fā)射信號(hào)幅值-撞擊數(shù)的分布圖，從圖中可以看出，45鋼的撞擊數(shù)主要分布于35～40 dB間，GCr15鋼分布于40～50 dB間，T12鋼主要分布于45～60 dB間。

圖5　三種試件的幅值-撞擊分布圖

從以上聲發(fā)射的參量分析可以看出，由于三種試件的含碳量和相變動(dòng)力學(xué)特性不同，因此在馬氏體相變過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的特征參量具有一定的不同，GCr15鋼的馬氏體相變過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)撞擊數(shù)要多于其他兩種試件，這主要是等溫相變馬氏體的形成受時(shí)間的影響。馬氏體相變聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)主要分布于0～30間，幅值分布于35～60 dB間，能量也較小(主要集中于0～80 dB之間)。如圖6所示，三種試件由于不同的馬氏體相變動(dòng)力學(xué)特性和馬氏體相變形態(tài)，因此在聲發(fā)射參量特征上有所不同，其中等溫相變馬氏體的累計(jì)撞擊數(shù)最多，而片狀馬氏體的幅值、能量及振鈴計(jì)數(shù)最大。

圖6　含碳量與聲發(fā)射參數(shù)關(guān)系圖

2.2聲發(fā)射信號(hào)波形分析

金屬的馬氏體形態(tài)主要由其化學(xué)成分決定，根據(jù)金屬相變理論可知，45鋼的馬氏體組織主要是板條狀馬氏體,GCr15鋼則同時(shí)具有板條狀與片狀馬氏體，而T12鋼基本為片狀馬氏體。三種試件相變后的金相照片如圖7所示。

圖7　三種試件相變后的金相組織照片

馬氏體相變聲發(fā)射信號(hào)來(lái)源于馬氏體相變組織本身，因此,不同馬氏體組織的聲發(fā)射信號(hào)具有不同的波形和頻率特征。圖8～11為不同馬氏體組織聲發(fā)射信號(hào)的波形和頻譜圖。從圖中可以看出:馬氏體相變聲發(fā)射信號(hào)的波形呈現(xiàn)突發(fā)形特征，但不同形態(tài)馬氏體的波形有所區(qū)別，一種上升時(shí)間較長(zhǎng)，衰減趨勢(shì)平緩、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而另一種波形前沿很陡，衰減較快。而兩種聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍也不盡相同，一種是峰值頻率集中在200 kHz，頻率范圍較窄，頻率成分集中；另一種峰值頻率在300 kHz左右，且頻率分布范圍寬，頻率成分多位于100 kHz～400 kHz間。

圖8　45鋼板條狀馬氏體信號(hào)波形與頻譜

圖9　GCr15鋼板條狀馬氏體波形與頻譜

圖10　GCr15鋼片狀馬氏體波形與頻譜

圖11　T12鋼片狀馬氏體波形與頻譜

這主要是由于板條狀馬氏體主要由高密度位錯(cuò)形成，其形核過(guò)程速度較低，微切變較少，因此在波形上呈現(xiàn)衰減較為平緩的突發(fā)性信號(hào)且峰值頻率較低。而片狀馬氏體主要由孿晶結(jié)構(gòu)組成，形核、長(zhǎng)大過(guò)程極快，釋放的彈性波強(qiáng)度很高，因此，其波形衰減很快且峰值頻率較高。由此可以看出，不同組織形態(tài)的馬氏體的聲發(fā)射波形特征區(qū)別明顯，因此利用聲發(fā)射信號(hào)的波形分析能夠準(zhǔn)確地識(shí)別馬氏體組織特征。

3　結(jié)論

采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)三種不同含碳量金屬材料的馬氏體相變過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)馬氏體相聲發(fā)射信號(hào)的參量及波形分析，可以看出不同含碳量材料由于馬氏體相變動(dòng)力學(xué)特性的差別，其聲發(fā)射信號(hào)的參量特征有所不同；并且，通過(guò)波形分析得到了不同形態(tài)馬氏體的波形與頻率特征。結(jié)果顯示，應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料馬氏體相變的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，識(shí)別不同相變類型的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而得到材料馬氏體相變的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為材料熱處理過(guò)程的組織變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

[1]常永坤.金屬材料與熱處理[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2]谷臣清，付萍，賈建軍.馬氏體相變的彈性波促發(fā)形核[J].金屬學(xué)報(bào)，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]譚真，郭廣文.工程合金熱物性[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994：52-63.

[5]王艷，蔣學(xué)芳.馬氏體相變形核機(jī)理[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016012)

蔣鵬(1981-)，男，講師，博士，主要從事材料聲發(fā)射特性研究。

蔣鵬，E-mail: jpnepu@163.com。

10.11973/wsjc201608005

TG161;TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0022-04