碳素鋼車軸金相組織對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)

碳素鋼車軸金相組織對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LZ50和C35e車軸的超聲檢測時軸向超聲波透聲不良的問題，對采用相同生產工藝且晶粒度級別基本相同的相應規格的車軸進行解剖分析。結果表明：超聲波透聲性能不良車軸的金相組織存在區域性珠光體聚集，或存在珠光體、鐵素體群的區域性分布，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”細晶粒組織。實踐表明，這種珠光體聚集或珠光體、鐵素體群的區域性分布會使軸向超聲波散射衰減增大，而且這種組織比局部單個大晶粒對軸向超聲波散射衰減的影響更大。實際生產中，應對鋼坯冶煉、軋制及車軸鍛造和熱處理過程進行有效地控制，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

車軸是關系到鐵路車輛運行安全的重要部件，通過超聲波檢測技術檢驗車軸的透聲性能和內部缺陷是確保車軸質量和行車運行品質的重要手段。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構變化所產生的對超聲波散射量和吸收量的改變，據此可以推斷微觀組織的尺寸、形態、邊界及位錯等[1]。車軸透聲性能檢測正是基于這一原理，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車軸進行超聲縱波檢測，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，以車軸一個端面作為入射面進行掃查，觀察其另一個端面(背反射面)的反射波幅度(也稱“底波高度”)，并將其與基準波高(標準規定的回波高度)進行比較，當底波高度等于或高于基準波高時，透聲性能合格，否則為透聲不良。

在車軸生產過程中，對LZ50鋼車軸和C35e鋼車軸進行超聲波檢測時，出現軸向透聲性能不良，即底波高度達不到基準波高的問題。結合超聲波的傳播衰減理論，引起衰減的原因主要有：① 聲束的擴散；② 材料中的晶粒或其他微小顆粒對聲波的散射；③ 介質的吸收。其中，擴散衰減僅取決于波陣面的形狀而與介質的性質無關；吸收衰減是由于介質的粘滯性和熱傳導導致部分聲能轉化成了熱能。所以，對上述問題，重點從可能引起超聲波散射衰減的因素進行分析。

一般情況下，在檢測系統處于正常工作狀態的條件下，除縮孔、縮松等內部缺陷引起的底波衰減外，造成車軸透聲不良問題的原因主要有：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。根據調查數據顯示，車軸鋼坯本身的非金屬夾雜物、低倍組織和化學成分均在標準規定的技術指標允許范圍內，所以筆者重點針對車軸的金相組織和晶粒度進行了超聲波透聲性能對比檢驗和分析。結果表明，實際生產中，應對鋼坯冶煉軋制及車軸鍛造和熱處理過程進行有效控制。

1 透聲不良車軸超聲波檢驗及金相檢驗

按標準TB/T 2945-1999 《鐵道車軸用LZ50鋼車軸及鋼坯技術條件》校準檢測靈敏度,掃查透聲不良的LZ50鋼車軸端面1/2半徑范圍，部分區域超聲底波波高為30%左右,低于基準波高。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，對應端面底波低的位置依次在輪座和軸身部位制取試樣進行金相和晶粒度檢測。結果顯示，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，同時存在區域性珠光體聚集現象，局部區域珠光體聚集非常明顯。透聲不良LZ50鋼車軸金相檢驗結果見圖1。

圖1 透聲不良LZ50鋼車軸金相檢驗結果

同樣，按照標準IRS:R-16/95《印度鐵路客、貨車車軸標準規范》，掃查透聲不良C35e鋼車軸端面，中心至1/2半徑范圍內底波高于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，對應端面底波低的位置依次在輪座和軸身部位制取試樣并進行金相組織、晶粒度檢測。結果顯示，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，組織出現珠光體、鐵素體群的區域性分布；軸身和輪座中心晶粒度為7.5級，組織與1/2半徑處相似，同樣為珠光體、鐵素體群的區域性分布，并伴有類似針狀鐵素體。透聲不良C35e鋼車軸金相檢驗結果見圖2。

圖2 透聲不良C35e鋼車軸金相檢驗結果

2 透聲合格車軸超聲波檢驗及金相檢驗

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

圖3 透聲合格LZ50鋼車軸金相檢驗結果

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

圖4 透聲合格C35e鋼車軸金相檢驗結果

3 透聲不良與合格車軸的金相組織對比分析

通過對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大晶粒，但整體呈均勻的細晶粒組織的車軸透聲性能合格；然而，金相組織中存在區域性珠光體聚集或存在珠光體、鐵素體群的區域性分布、局部伴有類似針狀的鐵素體的車軸透聲不良。初步分析，對采用相同工藝生產，且晶粒度級別基本相同的相應規格品種的車軸，在不考慮非金屬夾雜物、低倍組織等對超聲波衰減的影響時，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

對于相同材料、相同熱處理工藝和同種規格型號的車軸，其軸向透聲檢驗中的超聲波衰減差異程度主要由材料微觀結構引起的散射衰減的程度決定，其中微觀結構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，通過金相法研究或評價晶粒大小，僅僅是在一個平面上進行的，而超聲波檢測所涉及的對象是個立體空間。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、同樣晶粒大小的材料的兩個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，二者的晶粒度等級基本相同，但其金相組織中珠光體、鐵素體的分布狀態不同，前者可以視為在晶粒邊界形成了一種多重連續區域，該區域晶界由相互非等效、非平整的表面構成。以超聲波穿過珠光體比較集中的區域時的聲衰減為例，雖然金相顯示珠光體單個晶粒已被分割開，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大的珠光體晶粒基體的界面更為恰當。也就是說，這種情況下，可以把多晶體看做一個整體，用晶胞大小代替晶粒大小更為適宜，這種微觀結構會引起比單個大晶粒更加顯著的超聲波散射衰減。同理，珠光體、鐵素體群的區域性分布以及類似于針狀形貌的鐵素體也會相對增大超聲波的散射衰減。

為了進一步分析熱處理工藝相同的條件下產生金相組織差異的原因，筆者對所采用鋼坯的化學成分進行了統計分析。大量的統計數據對比顯示，對于上述出現透聲不良的LZ50鋼車軸所采用的鋼坯，其Cr的質量分數為0.20%～0.25%，O的質量分數約為15×10-6，而通常所用的LZ50鋼中的Cr的質量分數僅為0.02%～0.07%，O的質量分數一般不超過10×10-6；上述出現透聲不良的C35e鋼車軸所采用的鋼坯，其N的質量分數約為40×10-6，而其他同批生產的合格車軸鋼中的N的質量分數為50×10-6～70×10-6。可見，鋼坯化學成分改變時，必須相應調整熱處理工藝方法和工藝參數，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 結論

金相組織中的珠光體聚集或珠光體、鐵素體群的區域性分布，以及類似于針狀形貌的鐵素體都會使超聲波的散射衰減增大，而且這種組織形態比局部有單個大晶粒對超聲波聲能衰減的作用更大。因此，應結合鋼坯化學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，以預防、消除或削弱這種組織狀態的存在。同時，應嚴格控制鋼的冶煉、鋼坯軋制加熱溫度、時間以及軸坯的加熱和鍛造溫度，避免出現影響車軸綜合性能，以及后續熱處理很難甚至無法消除的針狀鐵素體組織。

[1] 李家偉，陳積懋.無損檢測手冊[M].北京：機械工業出版社，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].國外機車車輛工藝，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，高級工程師，主要從事鐵路車輛零部件產品無損檢測技術方面的研究

梁淑艷，liangsy110@126.com

10.11973/wsjc201709015