不同熱處理溫度下金屬材料的聲衰減系數特性

崔 東，賀西平，劉小榮，盧 康，賀升平，尼 濤

(1.陜西師范大學 物理學與信息技術學院/陜西省超聲重點實驗室,陜西 西安 710119;2.陜西省寶雞市150信箱,陜西 寶雞 721013)

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·數理科學·

不同熱處理溫度下金屬材料的聲衰減系數特性

崔 東1，賀西平1，劉小榮1，盧 康1，賀升平2，尼 濤2

(1.陜西師范大學 物理學與信息技術學院/陜西省超聲重點實驗室,陜西 西安 710119;2.陜西省寶雞市150信箱,陜西 寶雞 721013)

以牌號分別為1Cr17Ni2和2Cr13的兩種不同材質的不銹鋼(其中同種材料進行了不同溫度的熱處理)為例,利用一次和二次底面回波,對聲衰減系數分別進行測量計算,并結合材料內部微觀組織結構進行分析。結果表明,常溫樣品與經過熱處理樣品衰減系數之間存在較明顯差異，而且在不同熱處理溫度點上材料的聲衰減系數不一樣。隨著熱處理溫度不同,微觀結構的第二相顆粒的變化與聲衰減系數變化相吻合。因此,可以利用熱處理手段來對材料“貼上標簽”,加以辨識,也可以對金屬材料的其他性能作出評價。

熱處理;聲衰減系數;微觀結構

金屬顆粒的大小影響著材料的機械特性[1-2]。測量金屬材料的聲衰減系數有助于研究不同熱處理溫度下材料晶粒尺寸的變化規律[3]，而且還能對金屬材料的其他性能參數作出評價。例如,分析鋼材料中的衰減系數可以大大提高鋼鍛件的質量控制水平[4];獲得金屬材料超聲衰減系數隨頻率變化的關系，通過底面回波頻譜圖辨識近表面裂紋缺陷[5-7];鋼的聲衰減系數可以幫助我們判斷該材料的核輻射脆變程度，甚至預測其使用壽命[8-9];分析超聲波在鑄鋼件中傳播聲衰減系數的變化規律,可優化超聲波檢測工藝參數[10];測量金屬材料的聲衰減系數也可以為材料的辨識提供依據。

同種材料進行熱處理的工藝不同,導致力學性能(疲勞蠕動和屈服強度等)不同[4],其衰減系數變化規律也可能有所不同。研究金屬材料在不同熱處理狀態下聲衰減系數的變化規律,可以表征晶粒大小的變化[11]。文獻[4]中論述了熱處理后試樣的衰減系數隨著晶粒尺寸的增加近乎線性增加。文獻[12-13]報道了SUS306不銹鋼隨著熱處理溫度的升高和保溫時間的延長,晶粒急劇的長大,其平均尺寸的長大趨勢比較符合指數增長規律，使得超聲回波衰減系數逐漸增大。文獻[14-15]表明了304不銹鋼隨著固溶處理時間的延長,聲衰減系數會不斷增大。文獻[16]陳述了鋁合金試樣隨著熱處理溫度的升高，衰減系數在每個溫度點上有所不同。文獻[17]闡明了40Cr鋼在起始晶粒度相同的條件下,正火處理樣本的衰減系數大于淬火處理的,淬火后低溫回火處理的衰減系數最小。

超聲波在多晶介質中傳播,由于晶粒各向異性以及排列取向的無規律性,會在晶粒邊界產生散射,可以利用散射信號的不同,對不同材質的材料進行了辨識[18]。本文采用超聲脈沖回波法測試材料的聲衰減系數，熱處理方式為逐步升溫,到達目標溫度后保溫3小時。文中探索了不同熱處理溫度的不銹鋼材料與其聲衰減系數的關系,并結合材料內部微觀組織結構,發現可以用聲衰減系數來對熱處理溫度不同的同種不銹鋼材料進行辨識。

1 聲衰減系數

超聲衰減是一種高頻(通常在兆赫以上)內耗現象。當一超聲脈沖傳入試樣后,脈沖將在試樣兩端面之間來回反射傳播,形成一列回波列。由于金屬材料內部的原因,使超聲脈沖的能量隨傳播距離的增加而不斷減少,因而回波幅度也不斷減小。量度超聲的衰減系數計算公式為

(1)

式中,B1(dB/mm)，B2(dB/mm)分別為第一次和第二次底面反射回波的幅度,H(mm)為試樣厚度。

2 實驗測試

試驗中使用的1Cr17Ni2樣品規格均為厚度15mm,直徑47mm的圓柱,表面粗糙度為0.8μm。熱處理溫度分別為：常溫(25℃),259℃,555℃,674℃,852℃,970℃。

試驗使用縱波高頻探頭,中心頻率為5MHz,水為聲耦合劑。確保探頭與試樣緊密接觸,且探頭與各試樣間耦合條件完全一致。

試驗裝置如圖1所示。脈沖發射/接收器型號為Model 5077PR,由奧利巴斯公司生產,是一種寬帶脈沖發射接收儀,帶寬為35MHz。數字示波器使用Tektronix DPO5034B。單通道采樣率為5GHz,回波脈沖的時間分辨率可達0.2ns,用于數據采集和波形收錄。每次采樣5 000次計算平均值后存儲,后輸入到計算機中利用編制的程序對衰減系數進行計算。

圖1 高頻超聲測試系統連接裝置圖Fig.1 Schematic diagram of high frequency ultrasonic testing device

試樣按熱處理溫度的不同分為6組,每個試樣測試6次，取其平均值。圖2是探頭頻率為5MHz的某個試樣超聲回波的典型波形。圖2中符號S為表面反射回波，測得B1和B2的幅度,利用式(1)即可求得聲衰減系數。圖3和圖4為500X下金相顯微鏡觀測到的1Cr17Ni2和2Cr13這兩種反映材料內部微觀結構的金相圖片。

圖2 回波信號時間波形Fig.2 Waveform of the reflected echo

圖3 1Cr17Ni2不銹鋼不同熱處理條件下顯微組織Fig.3 1Cr17Ni2 steel microstructure under different heat treatment conditions

圖4 2Cr13不銹鋼不同熱處理條件下顯微組織Fig.4 2Cr13 steel microstructure under different heat treatment conditions

3 分析及討論

探頭中心頻率為5MHz時，對同一熱處理溫度下相同材質的兩個不同樣品的聲衰減系數進行了計算，結果如表1所示。其中第2列和第4列表示同種溫度下兩個樣品的平均聲衰減系數，第3列和第5列表示這兩個樣品聲衰減系數中的最大差值,而不同溫度樣品聲衰減系數最小差值為0.01dB/mm。比較可以看出,同種溫度測得的兩個樣品的聲衰減系數最大差值沒有超過不同溫度下平均聲衰減系數的差值。圖5為探頭中心頻率為5MHz時，兩種材料的衰減系數與熱處理溫度關系曲線,可以看出,常溫樣品與經過熱處理樣品的衰減系數之間存在較明顯的差異，而且不同熱處理溫度點上的聲衰減系數各不相同。

超聲波衰減系數包括材料本身的衰減(散射衰減和吸收衰減)、聲束的擴散損失 、反射損失、以及耦合損失4部分。擴散損失主要取決于探頭直徑、試樣大小以及介質中聲波的波長。在相同測試條件下, 不同試樣的擴散損失差值主要由試樣外形尺寸差異造成。造成反射損失和耦合損失的因素包括試樣表面凸凹不平及探頭和耦合材料對聲能的吸收。由于本實驗中試樣的幾何尺寸一致性較好, 加工精度較高, 均經過表面處理, 探頭和被測試樣充分接觸, 同時使用水為耦合劑，最大程度降低了反射損失和耦合損失。因此，可以認為散射是多晶金屬材料中超聲波能量損失的最大部分[19]。

1Cr17Ni2鋼和2Cr13鋼均屬于馬氏體——鐵素體型不銹鋼,對于這種雙相金屬材料而言,由于其材料內部微觀組織的復雜性,導致散射衰減的因素也有很多種,例如,材料中的雜質、晶粒、多晶材料晶界的非均勻性、第二相顆粒密度及結構、第二相顆粒的數量、以及通過不同的基體的黏滯阻抗等。圖3和圖4中(a)～(f)分別表示常溫(25℃),259℃,555℃,674℃,852℃,970℃這6種不同熱處理溫度。從圖3和圖4中可以發現,材料未經熱處理前晶界明顯,鐵素體上附著的碳化物還殘留有條狀馬氏體的特征,分布較均勻,碳化物顆粒較多,由于其排列的無規律性,超聲波通過時散射較為嚴重,此時可能由于第二相顆粒(散射體的數量)占主導因素,衰減系數較大。隨著加熱溫度的升高,晶界及析出第二相發生著明顯的變化，達到259℃時，因碳化物被鐵素體基體吸收而減少,在起始晶粒度相同的條件下,第二相顆粒數量減少[20],因而衰減系數降低。到達550℃(脆性轉變溫度)時,鐵素體中Cr原子趨于有序化,形成許多富Cr的點陣結構,它們與母相保持共格關系,因而碳化物融入鐵素體中使其數量減少[21],衰減系數繼續減小。隨著溫度進一步升高,所具有的能量足以提供晶粒長大的動力,此時晶界遷移,碳化物將會溶解進入鐵素體,殘留的碳化物與鐵素體組成球狀珠光體，如圖3和圖4中(e)所示。第二相顆粒(碳化物)與鐵素體基體分界明顯,此時可能是由于不同介質之間黏滯阻抗及第二相顆粒的密度占主導因素,從而衰減系數又有所增加,直到溫度到達970℃,晶界重組完成,碳化物除部分溶入鐵素體中其余全部用于組成晶界,使得晶界粗大,第二相顆粒(碳化物)與鐵素體基體分界更加明顯，如圖3和圖4的(f)所示，因此衰減系數增大明顯。與圖3相比,圖4中第二相顆粒的變化規律與其類似,差異較大的是到達970℃時,形成索氏體,碳化物完全溶解入基體內部,晶粒粗大，如圖4(f)所示。

分析發現,這與圖5中計算得到的聲衰減系數變化規律較為吻合。而每種溫度下材料的微觀結構是獨特的,也就是說聲衰減系數有其唯一性。利用這一特性,可以給金屬材料“貼上標簽”，利用聲衰減系數對這些金屬材料進行辨識。

表1 衰減系數比較

圖5 5MHz衰減系數與熱處理溫度的關系Fig.5 Relationship between attenuation coefficient and heat treatment temperature at 5MHz

4 結 論

超聲波在材料中傳播,一方面由于阻尼和粘滯等因素，將損耗一部分能量轉化為熱能,另一方面，晶粒邊界取向的雜亂無章會引起散射損耗。通常用散射來解釋多晶金屬中超聲波能量損失的最大部分,影響散射的因素有材料中的雜質、晶粒、第二相、多晶材料晶界的非均勻性等。在其他因素相差不大時,研究鋼在不同熱處理溫度下,第二相粒子致密度、顆粒數量及不同基體的粘滯阻抗與超聲波衰減系數的變化規律表明,利用材料的微觀組織表征超聲波衰減系數變化是有效的。

本文采用超聲脈沖回波法來測試材料的聲衰減系數。探究在不同熱處理溫度下，不銹鋼材料與其聲衰減系數的關系,結合材料內部微觀組織結構,發現不同材料的聲衰減系數是不同的，以及同一材料在不同熱處理溫度點上的聲衰減系數也不同。 由此,可以利用熱處理手段來對金屬材料“貼上標簽”，通過測試聲衰減系數對金屬材料進行辨識。

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(編 輯 李 靜)

The acoustic attenuation coefficient characteristics of metal materials at different heat treatments

CUI Dong1, HE Xiping1, LIU Xiaorong1, LU Kang1, HE Shengping2, NI Tao2

(1.College of Physics and Information Technology/Shaanxi Key Laboratory of Ultrasonic, Shaanxi Normal University,Xi′an 710119, China; 2.150 Mailbox, Baoji 721013， China)

Taking the 1Cr17Ni2 and 2Cr13 two different materials of stainless steel (the same material was heated at different temperatures) for example, using the primary and secondary bottom echo, their acoustic attenuation coefficients were measured respectively and analyzed by combining the material internal microstructure. The results show that the acoustic attenuation coefficients have significantly differences between the samples of normal temperature and heat-treated samples; acoustic attenuation coefficient is also different at various points of the heat treatment temperature. With different heat treatment temperature, the change of microstructure of second phase particles is in conformity with the acoustic attenuation coefficient change. Therefore, “ labels” can be put on different materials using the heat treatment so as to identify easily, and it can also evaluate the other properties of the metal material.

heat treatment; acoustic attenuation coefficient; microscopic structure

2015-05-11

國家自然科學基金資助項目(11374201)

崔東，男，陜西西安人，從事超聲工程研究。

O422.4

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-007