Q245R鋼非線性超聲特性與晶粒度級別量化關(guān)系研究

徐 磊，張 穎，朱子?xùn)|，劉 識，張 瀟

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318；2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；3.沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧 沈陽 110168 )

0 引言

大多數(shù)壓力容器的失效與故障，是由于長期作業(yè)、高壓情況下工作而引起的材料晶粒尺寸改變所致。常規(guī)無損檢測方法如衰減法、反射法等對于材料內(nèi)部復(fù)雜的多晶狀態(tài)檢測具有一定的局限性[1-3]。因此，找出有效的檢測方式來研究材料內(nèi)部晶粒度級別變化，尤其是晶粒級別極高時的裂紋與缺陷，進(jìn)行特種設(shè)備的早期探傷與危險預(yù)防具有重要的研究意義。非線性超聲技術(shù)是應(yīng)用高頻波在介質(zhì)中傳遞，與材料內(nèi)部微觀缺陷相互作用，通過對一次諧波、二次諧波等參數(shù)的分析，實(shí)現(xiàn)材料性能評價以及微觀缺陷檢測等目的[4]。研究表明，基于位錯模型的非線性超聲參量與材料內(nèi)部晶粒度級別以及位錯密度有很強(qiáng)的相關(guān)性，使得建立晶粒度級別與非線性超聲參量的量化關(guān)系成為可能[5-8]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用非線性超聲檢測技術(shù)對材料晶粒尺寸進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)材料晶粒尺寸對材料的力學(xué)性能影響很大。周正干等[9]利用非線性超聲技術(shù)，研究鎳基高溫合金GH706的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)GH706合金硬度強(qiáng)化的主要原因?yàn)闀r效強(qiáng)化時，非線性超聲特性與時效強(qiáng)化存在很強(qiáng)的相關(guān)性，證明非線性超聲特性可以識別GH706合金內(nèi)部晶格錯配程度。黃雨晴等[10-12]關(guān)于晶粒尺寸的研究也證明了金屬材料的各項力學(xué)性能都與其微觀狀態(tài)有關(guān)。Marino等[13]對不同老化階段的馬氏體鋼進(jìn)行非線性超聲實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相對非線性參數(shù)對馬氏體不同晶粒度級別的位錯密度變化敏感，證明了可以利用非線性超聲技術(shù)判斷材料老化過程中晶粒尺寸的變化。本文運(yùn)用RITEC RAM-5000 SNAP儀器，對不同晶粒度級別的Q245R鋼試件進(jìn)行非線性超聲技術(shù)檢測，建立了Q245R鋼非線性特性與晶粒度級別的定量關(guān)系。證明了通過非線性系數(shù)可以判斷Q245R鋼材料晶粒度級別。

1 非線性超聲特性計算理論基礎(chǔ)

1.1 二階非線性系數(shù)

研究表明，固體介質(zhì)特別是金屬都具有傳導(dǎo)超聲波的性質(zhì)，單頻正弦超聲波能夠在固體介質(zhì)中經(jīng)過連續(xù)的互相作用產(chǎn)生相應(yīng)的因子，激發(fā)高頻諧波[14]。

Cantrell等[15]通過對固體介質(zhì)非線性特性的研究，建立了非線性超聲波動方程：

(1)

應(yīng)用微擾理論可求得式(1)的近似解為

(2)

ρ0為被測介質(zhì)密度；x為超聲波傳播的距離；t為超聲傳導(dǎo)的試件；u為被測介質(zhì)內(nèi)位于x處質(zhì)點(diǎn)的位移；K2為二階彈性常數(shù)；K3為三階彈性系數(shù)；k為波數(shù)；A0為聲波初始幅度。

依據(jù)式(2)可得材料的二階非線性系數(shù)為

(3)

A1為基波幅值(聲波初始幅值)；A2為二次諧波幅值；β為二階非線性系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過RITEC RAM-5000 SNAP儀器發(fā)射的超聲波頻率與被測試件本身的長度是保持不變的[16]，即

(4)

1.2 衰減系數(shù)

超聲波在介質(zhì)中傳遞的過程中會產(chǎn)生衰減，本文通過對信號振幅的損失作為衰減程度的計算標(biāo)準(zhǔn)，計算衰減系數(shù)：

(5)

α為衰減系數(shù)；U1為一次反射回波幅值；U2為二次反射回波幅值；x1-x2為被測試件厚度。

2 試件制備及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 試件制備

實(shí)驗(yàn)選取Q245R鋼作為實(shí)驗(yàn)試件，詳細(xì)尺寸如圖1所示。為了確保聲波能不受干擾地準(zhǔn)確傳導(dǎo)，厚度設(shè)計為12 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)試件規(guī)格

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)對不同晶粒度Q245R鋼試件進(jìn)行非線性超聲檢測實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)得到試件的非線性超聲特性參數(shù)，從而分析材料不同晶粒度對非線性超聲特性的影響。建立非線性超聲特性與Q245R鋼晶粒度大小之間的關(guān)系，通過非線性超聲特性判斷Q245R鋼內(nèi)部晶粒度等級。非線性超聲檢測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 非線性超聲檢測系統(tǒng)

為了實(shí)驗(yàn)的整體性與后期分析，首先對8個經(jīng)過機(jī)械軋制而成的試件，編號S1～S8，然后通過不同的熱處理技術(shù)加工8個試件，使之內(nèi)部晶粒度區(qū)分為4組級別，利用4種熱處理方式分別制備2個試件。其熱處理工藝如表1所示。選取1～6號砂紙依順序?qū)υ嚰M(jìn)行打磨并拋光，配置硝酸酒精溶液對拋光后的試件進(jìn)行侵蝕，利用專業(yè)金相顯微鏡，觀察試件放大500倍后的金相，拍攝金相圖，通過金相圖中晶粒個數(shù)，計算試件晶粒度級別。不同熱處理加工后的試件金相圖如圖3所示。最后，利用RITEC系統(tǒng)對熱處理加工后的8個實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行非線性特性計算，包括二階非線性系數(shù)、衰減系數(shù)、超聲波在試件內(nèi)傳遞的聲速。利用計算得到的材料晶粒度級別，分析4組實(shí)驗(yàn)試件非線性超聲特性的相關(guān)性。

表1 Q245R鋼熱處理工藝與預(yù)測晶粒度級別

圖3 不同熱處理后4種晶粒級別Q245R鋼金相圖(放大500倍)

3 Q245R鋼不同晶粒度非線性超聲特性分析

3.1 二階非線性系數(shù)測量與計算

利用美國RITEC非線性超聲測試系統(tǒng)，通過頻率為5 MHz的發(fā)射探頭將超聲波打入Q245R鋼試件中，并通過頻率為10 MHz的接收探頭將超聲波信號傳輸回系統(tǒng)中。通過系統(tǒng)連接的示波器，可以看到如圖4和圖5所示基波與二次諧波的圖像。

圖4 基波波形

圖5 二次諧波波形

通過系統(tǒng)選出的算法門限范圍對示波器顯示的波形進(jìn)行運(yùn)算，在5 MHz頻率位置上得到基波的幅值A(chǔ)1，在10 MHz的二倍頻率位置上得到二次諧波幅值A(chǔ)2。利用非線性系數(shù)公式，計算出不同晶粒度級別Q245R鋼二階非線性系數(shù)如表2所示。

表2 8個試件的二階非線性系數(shù)

3.2 衰減系數(shù)與聲速的測量與計算

利用美國RITEC非線性超聲測試系統(tǒng)，采用反射法測量不同晶粒度Q245R鋼試件的衰減系數(shù)與聲速。將正弦脈沖波通過5 MHz的發(fā)射探頭打入Q245R試件中，聲波在通過反射后回到探頭中，通過衰減系數(shù)公式(5)測量得到不同晶粒度級別Q245R鋼試件衰減系數(shù)，如表3所示。通過非線性超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測量得到的不同晶粒度級別Q245R鋼試件聲速在5 950 m/s左右，且波動很小。

表3 8個試件的衰減系數(shù)

3.3 Q245R鋼試件晶粒度級別計算

為了確定熱處理加工后每個試件的準(zhǔn)確晶粒度級別，使測量得到的相關(guān)非線性超聲特性與試件晶粒度級別相對應(yīng)，采用面積法測量計算本次實(shí)驗(yàn)的晶粒度級別。在金相圖放大100倍的情況下，在645.16 mm2面積內(nèi)包含的晶粒個數(shù)N與晶粒度級別數(shù)G的關(guān)系為

N=2G-1

(6)

由式(6)計算圖3中晶粒個數(shù)，得到Q245R鋼試件4種晶粒度級別如表4所示。

表4 8個試件晶粒度級別

3.4 結(jié)果分析

Q245R鋼的不同晶粒度級別的聲速與衰減系數(shù)關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，隨著Q245R鋼晶粒度級別增大，超聲波在試件中的聲速變化不大，其最大聲速與最小聲速相對變量只有2.62%，而衰減系數(shù)隨晶粒度級別的變化相對于聲速更加明顯，相對變量為19.1%。在晶粒度級別達(dá)到4.35之前，衰減系數(shù)隨變量上升，之后呈小幅度下降。

不同晶粒度級別Q245R鋼試件二階非線性系數(shù)如圖7所示。由圖7可知，隨著晶粒度級別等增大，二階非線性系數(shù)呈線性下降，超聲非線性效應(yīng)隨著晶粒度級別的增大而降低得比較明顯，并且具有很強(qiáng)的相關(guān)性，近似于線性表征。Q245R鋼晶粒度級別增大，內(nèi)部晶粒變小，超聲導(dǎo)波需要穿過的晶界面積相應(yīng)增大，接收探頭接收到的超聲導(dǎo)波幅值隨之呈比例減小，由非線性系數(shù)公式可知，二階非線性系數(shù)相應(yīng)減小。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得非線性系數(shù)與不同試件晶粒度級別的相應(yīng)關(guān)系，以及非線性系數(shù)折線(圖7)，通過Origin軟件計算分析，得到非線性系數(shù)與試件晶粒度級別存在線性關(guān)系為

β=-0.02x+0.174 6

(7)

x為晶粒度級別。

圖6 聲速與衰減系數(shù)折線

圖7 非線性系數(shù)折線

4 結(jié)束語

通過對Q245R鋼試件的非線性超聲實(shí)驗(yàn)，計算了熱處理后不同晶粒度級別的Q245R實(shí)驗(yàn)試件的3個非線性超聲特性參數(shù)，通過定量分析，得到以下結(jié)論：

a.隨著晶粒度級別的改變，Q245R鋼的衰減系數(shù)發(fā)生了較大的相關(guān)性變化，表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢；聲速的變化與試件晶粒度級別沒有明顯的相關(guān)性。

b.相比衰減系數(shù)與聲速，Q245R鋼試件的二階非線性系數(shù)隨著材料內(nèi)部晶粒度級別的增大而減小，并且有明顯的線性相關(guān)性。通過定量分析，得到式(7)所示的Q245R鋼二階非線性系數(shù)與晶粒度級別的線性擬合公式。

c.對Q245R鋼試件進(jìn)行的非線性超聲實(shí)驗(yàn)，證明了存在一種確定的線性關(guān)系，可以將材料內(nèi)部晶粒度級別與二階非線性系數(shù)關(guān)聯(lián)。

d.本文只針對Q245R鋼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析得到的線性關(guān)系式(7)，不代表二階非線性系數(shù)與其他金屬材料晶粒尺寸的定量關(guān)系。