梁淑艷，蔣 波，吳海英，康 鋒，任明明

(晉西車軸股份有限公司，太原 030027)

碳素鋼車軸金相組織對(duì)超聲波透聲性能的影響

梁淑艷，蔣 波，吳海英，康 鋒，任明明

(晉西車軸股份有限公司，太原 030027)

針對(duì)LZ50和C35e車軸的超聲檢測(cè)時(shí)軸向超聲波透聲不良的問(wèn)題，對(duì)采用相同生產(chǎn)工藝且晶粒度級(jí)別基本相同的相應(yīng)規(guī)格的車軸進(jìn)行解剖分析。結(jié)果表明：超聲波透聲性能不良車軸的金相組織存在區(qū)域性珠光體聚集，或存在珠光體、鐵素體群的區(qū)域性分布，局部伴有類似針狀的鐵素體；而超聲波透聲性能合格車軸的金相組織呈均勻的“珠光體+鐵素體”細(xì)晶粒組織。實(shí)踐表明，這種珠光體聚集或珠光體、鐵素體群的區(qū)域性分布會(huì)使軸向超聲波散射衰減增大，而且這種組織比局部單個(gè)大晶粒對(duì)軸向超聲波散射衰減的影響更大。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)對(duì)鋼坯冶煉、軋制及車軸鍛造和熱處理過(guò)程進(jìn)行有效地控制，才能消除或削弱這種組織的存在。

透聲性；晶粒；珠光體；鐵素體；超聲波衰減

車軸是關(guān)系到鐵路車輛運(yùn)行安全的重要部件，通過(guò)超聲波檢測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)車軸的透聲性能和內(nèi)部缺陷是確保車軸質(zhì)量和行車運(yùn)行品質(zhì)的重要手段。衰減是材料的超聲表征之一，超聲波在材料中的衰減變化反映的是微觀組織結(jié)構(gòu)變化所產(chǎn)生的對(duì)超聲波散射量和吸收量的改變，據(jù)此可以推斷微觀組織的尺寸、形態(tài)、邊界及位錯(cuò)等[1]。車軸透聲性能檢測(cè)正是基于這一原理，使用A型脈沖反射式超聲波探傷儀以及手工直接接觸法對(duì)車軸進(jìn)行超聲縱波檢測(cè)，以超聲波在材料中的衰減特征表征其微觀組織的符合性。即，以車軸一個(gè)端面作為入射面進(jìn)行掃查，觀察其另一個(gè)端面(背反射面)的反射波幅度(也稱“底波高度”)，并將其與基準(zhǔn)波高(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的回波高度)進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)撞ǜ叨鹊扔诨蚋哂诨鶞?zhǔn)波高時(shí)，透聲性能合格，否則為透聲不良。

在車軸生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)LZ50鋼車軸和C35e鋼車軸進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，出現(xiàn)軸向透聲性能不良，即底波高度達(dá)不到基準(zhǔn)波高的問(wèn)題。結(jié)合超聲波的傳播衰減理論，引起衰減的原因主要有：① 聲束的擴(kuò)散；② 材料中的晶粒或其他微小顆粒對(duì)聲波的散射；③ 介質(zhì)的吸收。其中，擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的形狀而與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)；吸收衰減是由于介質(zhì)的粘滯性和熱傳導(dǎo)導(dǎo)致部分聲能轉(zhuǎn)化成了熱能。所以，對(duì)上述問(wèn)題，重點(diǎn)從可能引起超聲波散射衰減的因素進(jìn)行分析。

一般情況下，在檢測(cè)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的條件下，除縮孔、縮松等內(nèi)部缺陷引起的底波衰減外，造成車軸透聲不良問(wèn)題的原因主要有：① 低倍組織缺陷或非金屬夾雜、夾渣等；② 成分偏析引起的組織不均勻；③ 熱處理后的晶粒和組織異常。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，車軸鋼坯本身的非金屬夾雜物、低倍組織和化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)允許范圍內(nèi)，所以筆者重點(diǎn)針對(duì)車軸的金相組織和晶粒度進(jìn)行了超聲波透聲性能對(duì)比檢驗(yàn)和分析。結(jié)果表明，實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)對(duì)鋼坯冶煉軋制及車軸鍛造和熱處理過(guò)程進(jìn)行有效控制。

1 透聲不良車軸超聲波檢驗(yàn)及金相檢驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2945-1999 《鐵道車軸用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》校準(zhǔn)檢測(cè)靈敏度,掃查透聲不良的LZ50鋼車軸端面1/2半徑范圍，部分區(qū)域超聲底波波高為30%左右,低于基準(zhǔn)波高。在透聲不良的LZ50車軸端面1/2半徑處確定端面底波低的位置，沿車軸軸線方向，對(duì)應(yīng)端面底波低的位置依次在輪座和軸身部位制取試樣進(jìn)行金相和晶粒度檢測(cè)。結(jié)果顯示，輪座部位和軸身部位的組織相似，均為“珠光體+鐵素體”，晶粒度為7級(jí)，同時(shí)存在區(qū)域性珠光體聚集現(xiàn)象，局部區(qū)域珠光體聚集非常明顯。透聲不良LZ50鋼車軸金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 透聲不良LZ50鋼車軸金相檢驗(yàn)結(jié)果

同樣，按照標(biāo)準(zhǔn)IRS:R-16/95《印度鐵路客、貨車車軸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，掃查透聲不良C35e鋼車軸端面，中心至1/2半徑范圍內(nèi)底波高于40%，1/2半徑處底波約為40%，而1/2半徑以外底波僅20%左右，低于基準(zhǔn)波高。在透聲不良C35e車軸端面的中心、1/2半徑處和近表面位置分別確定底波低的位置，沿車軸軸線方向，對(duì)應(yīng)端面底波低的位置依次在輪座和軸身部位制取試樣并進(jìn)行金相組織、晶粒度檢測(cè)。結(jié)果顯示，各部位組織均為“珠光體+鐵素體”，輪座和軸身1/2半徑處晶粒度為8級(jí)，組織出現(xiàn)珠光體、鐵素體群的區(qū)域性分布；軸身和輪座中心晶粒度為7.5級(jí)，組織與1/2半徑處相似，同樣為珠光體、鐵素體群的區(qū)域性分布，并伴有類似針狀鐵素體。透聲不良C35e鋼車軸金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 透聲不良C35e鋼車軸金相檢驗(yàn)結(jié)果

2 透聲合格車軸超聲波檢驗(yàn)及金相檢驗(yàn)

為與透聲不良車軸做對(duì)比分析，選取了輪座和軸身1/2半徑處晶粒度為7級(jí)、金相組織為“珠光體+鐵素體”均勻細(xì)晶粒的LZ50鋼車軸(見(jiàn)圖3)，經(jīng)超聲波透聲檢驗(yàn)，其底波高于80%，即高于基準(zhǔn)波高。

圖3 透聲合格LZ50鋼車軸金相檢驗(yàn)結(jié)果

同樣，選取了輪座和軸身1/2半徑處的晶粒度為7.5～8級(jí)(局部存在單個(gè)大晶粒)、金相組織為“珠光體+鐵素體”的均勻細(xì)晶粒的C35e鋼車軸(見(jiàn)圖4)，經(jīng)超聲波透聲檢驗(yàn)，掃查其整個(gè)端面，底波均高于40%，即高于基準(zhǔn)波高。

圖4 透聲合格C35e鋼車軸金相檢驗(yàn)結(jié)果

3 透聲不良與合格車軸的金相組織對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比透聲不良車軸與透聲合格車軸的金相組織可以看出：在二者晶粒度基本一致的情況下，雖然金相組織中局部存在單個(gè)大晶粒，但整體呈均勻的細(xì)晶粒組織的車軸透聲性能合格；然而，金相組織中存在區(qū)域性珠光體聚集或存在珠光體、鐵素體群的區(qū)域性分布、局部伴有類似針狀的鐵素體的車軸透聲不良。初步分析，對(duì)采用相同工藝生產(chǎn)，且晶粒度級(jí)別基本相同的相應(yīng)規(guī)格品種的車軸，在不考慮非金屬夾雜物、低倍組織等對(duì)超聲波衰減的影響時(shí)，金相組織中珠光體、鐵素體分布不均勻或存在針狀鐵素體會(huì)使超聲波的衰減增大，從而造成車軸透聲不良。

4 分析與討論

對(duì)于相同材料、相同熱處理工藝和同種規(guī)格型號(hào)的車軸，其軸向透聲檢驗(yàn)中的超聲波衰減差異程度主要由材料微觀結(jié)構(gòu)引起的散射衰減的程度決定，其中微觀結(jié)構(gòu)中平均晶粒的大小是超聲波衰減程度的決定性因素，但是也必須注意，通過(guò)金相法研究或評(píng)價(jià)晶粒大小，僅僅是在一個(gè)平面上進(jìn)行的，而超聲波檢測(cè)所涉及的對(duì)象是個(gè)立體空間。在平均晶粒度大小相等的情況下，晶界、組織的各個(gè)相以及珠光體中的片間距等因素都將影響超聲波的衰減[2]。

在一定條件下，由于具有不同的晶粒邊界狀態(tài)、同樣晶粒大小的材料的兩個(gè)試樣能夠顯示出不同的散射特征。將文中的透聲不良車軸與透聲合格車軸相比較，二者的晶粒度等級(jí)基本相同，但其金相組織中珠光體、鐵素體的分布狀態(tài)不同，前者可以視為在晶粒邊界形成了一種多重連續(xù)區(qū)域，該區(qū)域晶界由相互非等效、非平整的表面構(gòu)成。以超聲波穿過(guò)珠光體比較集中的區(qū)域時(shí)的聲衰減為例，雖然金相顯示珠光體單個(gè)晶粒已被分割開(kāi)，但是把晶粒邊界看做是由一定厚度的鐵素體中包含著一個(gè)大的珠光體晶?；w的界面更為恰當(dāng)。也就是說(shuō)，這種情況下，可以把多晶體看做一個(gè)整體，用晶胞大小代替晶粒大小更為適宜，這種微觀結(jié)構(gòu)會(huì)引起比單個(gè)大晶粒更加顯著的超聲波散射衰減。同理，珠光體、鐵素體群的區(qū)域性分布以及類似于針狀形貌的鐵素體也會(huì)相對(duì)增大超聲波的散射衰減。

為了進(jìn)一步分析熱處理工藝相同的條件下產(chǎn)生金相組織差異的原因，筆者對(duì)所采用鋼坯的化學(xué)成分進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，對(duì)于上述出現(xiàn)透聲不良的LZ50鋼車軸所采用的鋼坯，其Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%～0.25%，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15×10-6，而通常所用的LZ50鋼中的Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.02%～0.07%，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)10×10-6；上述出現(xiàn)透聲不良的C35e鋼車軸所采用的鋼坯，其N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40×10-6，而其他同批生產(chǎn)的合格車軸鋼中的N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50×10-6～70×10-6。可見(jiàn)，鋼坯化學(xué)成分改變時(shí)，必須相應(yīng)調(diào)整熱處理工藝方法和工藝參數(shù)，使車軸熱處理后獲得均勻的晶粒組織，才能保證車軸透聲性能合格。

5 結(jié)論

金相組織中的珠光體聚集或珠光體、鐵素體群的區(qū)域性分布，以及類似于針狀形貌的鐵素體都會(huì)使超聲波的散射衰減增大，而且這種組織形態(tài)比局部有單個(gè)大晶粒對(duì)超聲波聲能衰減的作用更大。因此，應(yīng)結(jié)合鋼坯化學(xué)成分中的合金元素含量、氮含量等制定適宜的熱處理工藝參數(shù)，以預(yù)防、消除或削弱這種組織狀態(tài)的存在。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼的冶煉、鋼坯軋制加熱溫度、時(shí)間以及軸坯的加熱和鍛造溫度，避免出現(xiàn)影響車軸綜合性能，以及后續(xù)熱處理很難甚至無(wú)法消除的針狀鐵素體組織。

[1] 李家偉，陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] KOPEC B,王興賢.利用超聲波衰減研究鐵路車軸的異常組織[J].國(guó)外機(jī)車車輛工藝，1985(6):33-36.

EffectofMetallographicStructureoftheCarbonSteelAxleonItsUltrasonicTransmissionPerformance

LIANG Shuyan, JIANG Bo, WU Haiying, KANG Feng, REN Mingming

(Jinxi Axle Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

With regard to the poor axial ultrasonic transmission of the LZ50 and C35e axles, the axles of the corresponding specification varieties with the same process and the same grain sizes were anatomically analyzed. The results show that the regional pearlite aggregation or regional distribution of pearlite and ferrite group (locally accompanied by needle-like ferrite) exist in the metallographic structure of poor axial ultrasonic transmission axles. On the other hand, a uniformly distributed pearlite and ferrite fine grain structure exists in the metallographic structure of axles with qualified ultrasonic transmission. Practice shows that the pearlite aggregation or the regional distribution of pearlite, ferrite group will make the axial ultrasonic scattering attenuation increase, and the influence of such microstructure on axial ultrasonic scattering attenuation is greater than locally single great grain. In practice, billet smelting, rolling and axle forging and heat treatment should be effectively controlled to eliminate or weaken the existence of this kind of structure.

permeability； grain； pearlite； ferrite； ultrasonic attenuation

TG115.28

： B

：1000-6656(2017)09-0061-04

2016-09-22

梁淑艷(1982-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事鐵路車輛零部件產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方面的研究

梁淑艷，liangsy110@126.com

10.11973/wsjc201709015