高鉻鑄鐵硬度的超聲無損表征

摘 要：該試驗采用超聲波聲速法表征高鉻鑄鐵的硬度，研究了超聲波縱向聲速和高鉻鑄鐵平均硬度的關系。結果證明，用水浸平晶片探頭測得的縱波聲速和硬度之間有較好的線性關系，能夠無損評價高鉻鑄鐵的硬度。

關鍵詞：超聲檢測 硬度 高鉻鑄鐵 聲速

中圖分類號：TG143 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0052-02

材料的超聲表征有兩個涉及聲傳播的可測參量可以利用，及超聲波在材料中的聲速和衰減。速度漂移測量的是彈性模量的變化，適合于檢測微觀組織組分的變化量。材料的硬度與材料成分、組織、硬質相數量及分布有關，這些因素的變化可能影響超聲波在材料中的傳播速度。該試驗研究目的在于建立超聲波聲速與硬度之間的關系。

眾所周知，硬度是材料力學性能試驗中使用最廣泛的性能指標。高鉻鑄鐵以其高硬度和高耐磨性而廣泛應用于礦山機械、鍛造機械及粉碎機械等。高鉻鑄鐵的硬度是評價其力學性能和使用性能的重要指標，因此測量硬度是生產和使用高鉻鑄鐵不可缺少的環節。通常用金相法測量硬度，是破壞性的。在高鉻鑄鐵中存在分散的硬質相，使得測量點的硬度值很分散。用超聲波評定高鉻鑄鐵的硬度，是非破壞性的，而且評價結果是反映超聲波傳播路徑上的平均硬度，比金相法測量多個點的硬度后再算平均值更為方便。

1 試驗方法

1.1 水浸法超聲試驗原理

試驗示意圖如圖1所示。以適當水層深度作延遲段進行水浸法測量是有利的，因為這種液體耦合劑可使探頭和試樣的耦合條件得以很好的確定，并使探頭相對于試樣的位置和取向得到嚴密的控制。可利用回波B和C（或D）。

待測試樣縱波聲速由式1計算可得

（1）

式中 為對比試塊中的縱波速度。試驗采用國標CSK—ⅠB試塊，=5950 m/s；

、為對比試塊和待測試樣兩底面反射波之間的距離；

、為對比試塊和待測試樣厚度；

、為在對比試塊和試樣上測零點距離試件所用的往返聲程次數。試驗中采用B、D回波，=3-1=2

試驗步驟如下：

（1）確認測量所用探頭的聲場特性（指向性、聲束對稱性等）是良好的；

（2）根據聲束已知的對比試塊及待測試樣厚度，調整儀器時間基線的測量范圍、掃描延遲、測量范圍微調，使對比試塊一次、二次、……底反射（回波B、C、……）能以相同的間距出現在基建基線的線性段上。所用的反射波的次數以一次、二次、三次底反射（B、C、D）以相同的間距占據線性段即可；考慮到聲束指向性及試樣尺寸（側壁）的可能造成的影響，更多次反射也并不總是有力的。

（3）在B、C、D回波波形正常情況下在超聲波檢測儀上讀出B回波和D回波之間距離。

（4）保持儀器調整、水層厚度等不變，在待測試樣上測量，設所得兩點之間的距離為A2。

（5）待測試樣縱波聲速Ci2可由（1）式計算求出。

1.2 超聲檢測儀器及探頭選擇

試驗使用PXUT—27型全數字智能超聲波探傷儀。

探頭為水浸平晶片探頭，超聲波發射頻率2.5 MHz。

1.3 高鉻鑄鐵試樣制備

試驗用的試樣是為礦山采掘機截齒研制的鑄造合金，經熔煉澆鑄而成的，成分為高鉻鑄鐵。采用不同的熱處理（淬火+回火）工藝，獲得不同的硬度。試樣尺寸為Φ2.0×120 mm。

1.4 高鉻鑄鐵試樣硬度測試

由于高鉻鑄鐵硬度較高，應采用洛氏硬度（HRC）進行硬度試驗。用洛氏硬度計測得每組試樣HRC。為了保證測試精度，每個試樣測試面至少選擇3個點進行硬度測試求出平均硬度值。

2 試驗結果

2.1 高鉻鑄鐵試樣硬度測定結果

試樣經不同的熱處理工藝處理后，其硬度測試結果見表1。

2.2 高鉻鑄鐵試樣中超聲波聲速計算結果

超聲波在試樣中傳播速度檢測結果見表2。

2.3 高鉻鑄鐵硬度與超聲波聲速之間的關系

對2.1和2.2測定的數據進行回歸分析，可以建立高鉻鑄鐵硬度與超聲波聲速之間的關系如圖2。圖2中的□為實測值，直線為經過回歸分析而得到的。直線數學解析式如下：

y=kx+b （2）

式中：k=0.033，b=-140.571

由圖2可以看出，高鉻鑄鐵硬度與超聲波在其內傳播聲速之間存在對應關系，即隨著硬度增大，聲速增大。

試樣在不同的熱處理工藝處理后，其內部晶格結構、相組成及碳化物的析出等變化有所不同，這些因素都可能影響超聲波傳播的速度，并且是綜合影響的結果。

3 結論

（1）超聲波在高鉻鑄鐵中傳播的縱波聲速與硬度存在大致正比關系；（2）高鉻鑄鐵硬度的超聲無損表征反映的是其微觀組織的變化；（3）高鉻鑄鐵超聲無損表征的是聲波傳播路徑上的平均硬度值；（4）在超聲無損檢測和硬度之間的關系是由破壞性試驗得出來的，但對于同種成分的材料可以利用這個關系進行硬度指標的無損評價；（5）材料的某些力學性能指標可以用超聲無損表征，但對于不同材料、不同的力學性能指標的表征，必須通過試驗建立對應關系。

參考文獻

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