30CrMnSiA 鋼回火組織對超聲信號影響的試驗研究

張 琦 ， 歐陽小琴 ， 張 尤 ， 鄔冠華

（1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，南昌 330029；2.中航工業洪都航空工業集團 理化中心，南昌 330024；3.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063）

0 引言

30CrMnSiA 鋼是具有較高強度和良好韌性的中碳低合金鋼，常用于飛機結構中的大梁、框架和標準件，是重要的受力部件，多在淬火后回火狀態下使用。不同的回火溫度會導致材料的組織和性能產生差異[1]，且30CrMnSiA 鋼具有回火脆性[2]，材料性能受回火溫度影響很大；因此掌握不同回火溫度下材料的組織及性能是很有必要的。現有的測試回火組織與性能的方法多為硬度測試（布氏或洛氏硬度），針對回火脆性的檢測方法為沖擊檢測[3]和內耗法[4]。上述方法均屬于破壞性檢測，存在檢測時間長、具有破壞性等缺點，難以對在役構件進行檢測。

針對材料組織無損評價，國內外學者經大量研究發現材料組織對渦流、磁巴克豪森噪聲和超聲等信號有一定的影響，并借助影響規律得出了相應的檢測方法。如Konoplyuk[5]利用渦流法較好地評價了不同成分鑄鐵的基體結構并測定了球墨鑄鐵中珠光體的含量；祁欣等[6]研究得出鐵磁性材料的巴克豪森噪聲信號隨馬氏體含量、碳含量的變化情況。但渦流因集膚效應而無法到達材料內部，磁巴克豪森噪聲只能在鐵磁性材料中產生，兩者均有局限性。

相對而言，超聲波能量高、指向性好、穿透能力強，且對于材料組織的連續性的不均勻分布有較高的敏感性，在材料組織對超聲波的影響方面已有一定的研究和應用，如用超聲聲速、聲衰減系數表征材料晶粒尺寸和材料硬度：Palanichamy P 等[7]借助超聲聲速測量了316 型不銹鋼中的晶粒尺寸；盧逸凡[8]、萬江[9]對多種高溫合金進行了微觀組織與超聲傳播特性關系的研究。本研究通過檢測超聲波在30CrMnSiA 不同回火狀態下材料的傳播特性的變化，分析超聲縱波聲速、聲衰減系數和底波頻移等參數與30CrMnSiA 的回火程度的關系，為采用超聲檢測方法對30CrMnSiA 回火組織進行無損評價提供參考。

1 超聲與材料組織作用原理

超聲波與材料顯微組織和結構相互作用引起的傳播速度的變化和聲波能量損失，是超聲波受材料組織和性能影響時變化明顯的2 個主要參數[10]。超聲縱波理論聲速如式(1)所示，其影響因素為材料彈性模量和材料密度，彈性模量與原子間作用力和原子間距有關，金屬材料的密度也與組織結構有關，故聲速與金屬材料內部的組織結構和晶體取向有必然的聯系[11]，理論上是可以采用超聲縱波聲速表征回火狀態下材料的組織與性能。

式中：CL為聲速；E 為介質的彈性模量； ρ為介質的密度；σ 為介質的泊松比。

在多晶金屬材料中，超聲波能量損失，即超聲波衰減，損失最大的部分是由晶粒散射引起的。超聲波能量損失的計算常用超聲波衰減系數計算公式計算，見式（2）。

式中：m 為底波的反射次數；n 為底波的反射次數；Bm、Bn分別為第m、n 次底波高度。

材料中的雜質、晶粒、內應力、第二相、多晶體晶界等非均勻性，都會造成散射衰減、超聲波的衰減則幾乎與上述所有參數都有明顯的相關性。例如，在多晶金屬中體現的關鍵參數是晶粒結構、形態和位錯密度，這些對衰減均有強烈的作用；因此，從不同角度來看，彈性模量、材料顯微結構、晶粒形態都會對超聲特征參數產生影響，甚至存在良好的相關性。研究表明，SAE4340鋼回火組織中，超聲衰減系數變化規律為：鐵素體+珠光體＞貝氏體＞回火屈氏體＞回火馬氏體，且珠光體的片層間距與超聲衰減系數有一定的關系[12]。利用超聲衰減系數受材料組織影響的規律對材料進行無損評價已取得一定的實際應用，其中比較成功的是用超聲聲速表征球磨鑄鐵的球化率[13-14]。

2 試驗材料及方法

30CrMnSiA 鋼試樣取自入廠復驗的原材料，經過機械加工制成試樣若干。熱處理淬火溫度為(860±5) ℃，回火溫度為200～700 ℃（控制精度為±3 ℃）。磨削加工后進行硬度采集、超聲檢測和金相實驗。

1）硬度采集：用HR-150A 型洛氏硬度計測量硬度，載荷為150 N，測量精度為HRC ±1。各試樣待測區域隨機測量3 個點的硬度，取平均值作為試樣硬度。

2）超聲檢測：使用搭建的超聲水浸聚焦檢測系統，脈沖發射接收儀器型號為OLYMPUS5077PR，水浸聚焦探頭頻率為10 MHz，焦距為10 mm，點聚焦，采集卡為Picoscope 高速數據采集卡（采用率1 G），聲速測量精度為±5 m/s，衰減測量精度為±0.02 dB/mm，底波頻移測量精度±0.05 MHz。在試樣待測區域隨機選擇5 個點采集超聲檢測信號，每點聲學信號包含32 幀，依據式（1）、式（2）和頻域轉換，通過編程對各幀信號進行處理得到超聲縱波聲速、聲衰減系數和底波頻移，取32 幀平均值作為該點特征值，再取5 點特征值的平均值作為該試樣特征值。

3）金相實驗：硬度和超聲數據采集結束后，對試樣進行打磨、拋光，用5%(體積分數)的硝酸酒精行腐蝕后，在光學顯微鏡進行金相觀察并采集圖像。

3 結果分析及討論

試樣回火溫度與硬度、超聲縱波聲速、聲衰減系數和底波頻移的關系如圖1 所示。分析圖1，回火溫度對應的材料硬度、超聲縱波聲速、聲衰減系數和底波頻移可分成4 個部分。

圖1 30CrMnSiA 回火溫度與硬度、超聲檢測參數的關系Fig.1 Relationship between tempering temperature of 30CrMnSiA and hardness, ultrasonic testing parameters

1）回火溫度200～380 ℃的組織與聲信號。

回火溫度為200～380 ℃時，材料硬度由HRC 50 降至HRC 40，聲速為5885～5891 m/s，接近測量誤差±5 m/s，聲衰減系數由0.14 dB/mm 增大至0.17 dB/mm，底波頻移量由1.361 MHz 增大至1.885 MHz。組織如圖2 所示，可見清晰的回火馬氏體。此后馬氏體開始分解，馬氏體中的過飽和碳開始逐步以碳化物的形式析出，馬氏體中碳的過飽和程度不斷降低，晶格畸變程度也減弱，轉變為回火馬氏體，內應力有所降低，聲速稍微降低，衰減提高，底波頻移提高。

2）回火溫度380～540 ℃的組織與聲信號。

回火溫度達到380 ℃時，殘余奧氏體分解，馬氏體在450 ℃甚至500 ℃回火后仍能保持一定的正方度。當鋼中存在濃度足夠高的強碳化物形成元素時，形成的高度彌散的特殊碳化物，ε 相碳化物分解，420 ℃時θ 相碳化物開始析出，滲碳體的聚集長大，鋼內形成了細粒狀滲碳體均勻分布在鐵素體基體上的兩相混合物[15]。此時的組織如圖3所示，為回火屈氏體，由馬氏體回火后形成的鐵素體基體內分布著極其細小球狀碳化物（或滲碳體）的復相組織。與回火馬氏體相比，該種組織硬度為HRC 37，硬度有所降低，該組織聲速增大至5916 m/s，較前者高出近30 m/s，衰減降低至0.13 dB/mm，但變化不大，底波頻移變化明顯，降低至0.793 MHz。

圖2 回火溫度為200 ℃時30CrMnSiA 組織Fig.2 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 200 ℃

圖3 回火溫度為380 ℃時30CrMnSiA 組織Fig.3 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 380 ℃

3）回火溫度540～620 ℃的組織與聲信號。

在溫度為540～620 ℃回火后得到回火索氏體，此時鐵素體基體內分布著細小球狀碳化物（包括滲碳體）的復相組織，如圖4 所示。與其他合金鋼相似，淬火后在500～550 ℃之間回火時，P、Sn、Sb、As 等雜質元素會在540～600 ℃溫度向原奧氏體晶界偏聚，導致高溫回火脆性；Ni、Mn 等元素可以和P、Sb 等雜質元素發生晶界協同偏聚，Cr 元素則又促進這種協同偏聚，所以這些元素都加劇鋼的高溫回火脆性[16]。受回火脆性影響，在這一階段，所測的材料硬度以及縱波聲速、聲衰減系數、底波頻移等各項參數波動較大。碳化物沿原奧氏體晶界分布而形成的沿晶斷裂導致了回火脆性的產生，而碳化物聲速遠高于基體，導致聲速異常升高，且沿晶分布的碳化物對聲波的散射作用增加，導致聲衰減和底波頻移不同于基體組織。據此，可以在實際檢測中，對同一試樣進行多點超聲檢測，通過聲速等聲學特征參數的波動幅度來判斷材料是否出現回火脆性，避免因使用具有回火脆性的材料而導致工件在服役中產生危害。

圖4 回火溫度為610 ℃時30CrMnSiA 組織Fig.4 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 610 ℃

4）回火溫度620～700 ℃的組織與聲信號。

回火溫度在620～700 ℃時，組織為鐵素體+珠光體，如圖5 所示。此時聲速穩定在5910 m/s，超聲波衰減主要是由于珠光體的片層組織導致，聲波容易被吸收，衰減與珠光體片層間距有關[11]，聲衰減系數先降后升，底波頻移先升后降。

圖5 回火溫度為700 ℃時30CrMnSiA 組織Fig.5 Microstructure of 30CrMnSiA steel with tempering temperature of 700 ℃

將30CrMnSiA 鋼各回火組織的硬度、超聲聲速、衰減及底波頻移數據進行整理，取溫度區間內參數值的測量平均值，結果見表1。其中，540～620 ℃回火得到回火索氏體組織，由于回火脆性的影響，聲速、聲衰減及底波頻移大幅度波動，取平均值無實際指導意義。由表1 可知，雖然30CrMnSiA 鋼不同回火溫度得到的組織對超聲檢測特征參數影響不同，但影響規律不明顯。隨回火溫度升高，30CrMnSiA 鋼回火組織依次為回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體、鐵素體+珠光體，硬度逐漸降低；超聲檢測特征參數中，除回火索氏體外，隨回火溫度升高，聲速增加，底波頻移降低；620～700 ℃回火組織鐵素體+珠光體的聲衰減系數較回火馬氏體和回火屈氏體的聲衰減系數高。通過檢測超聲波在30CrMnSiA 不同回火組織中傳播特性的變化，初步分析了超聲縱波聲速、聲衰減系數和底波頻移等參數與30CrMnSiA 的回火組織的對應關系，為超聲波評價該種材料回火程度的可能性做了初步研究。

表1 各回火組織的硬度、超聲聲速、衰減及底波頻移數據Table 1 Hardness, ultrasonic velocity, attenuation and bottom wave frequency shift data of each tempered microstructure

4 結論

1）隨回火溫度增加，30CrMnSiA 鋼回火組織依次為回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體、鐵素體+珠光體，硬度逐漸下降。

2）在回火馬氏體、回火屈氏體、鐵素體+珠光體的不同回火組織進行超聲檢測時，超聲聲速呈增大趨勢，底波頻移呈下降趨勢。

3）在540～620 ℃回火時，受回火脆性組織中碳化物晶界分布的不規律影響，超聲檢測特征參數值不穩定。