熱處理對35CrMo鋼磁性能的影響

沈正祥， 吳彩保， 李靖琳， 翟彬彬， 蔡鵬輝， 黃煥東， 陳 虎， 譚繼東

(1. 寧波市特種設備檢驗研究院， 浙江 寧波 315048;2. 浙江工業大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310014; 3. 中國特種設備檢測研究院， 北京 100029)

35CrMo合金鋼具有較好的淬透性、強韌性和抗疲勞性能等，可在-100～500 ℃溫度范圍內長期服役，價格相對Cr-Ni鋼更低廉，廣泛應用于機械裝備、汽車和石油化工等行業[1]。用作高負荷環境工作下結構件，35CrMo鋼需進行調質熱處理，確保其強度和塑性均符合使用要求。調質工藝一般指淬火+高溫回火處理，首先完全淬火獲得馬氏體，再經高溫回火得到回火索氏體。這種加熱和冷卻過程決定鋼件的微觀結構，如相變、晶界成長、晶粒尺寸和形狀。在工業生產和實驗室中，迄今仍采用光學顯微鏡觀察材料的微觀組織，成本高昂，樣品制備需花費大量時間，顯然不適合現代化大生產中的產品質量在線檢測，因此，非破壞性檢測技術，諸如磁巴克豪森效應(MBN)和磁滯回線等方法在材料結構/性能在線檢測方面具有獨特的優勢。

磁巴克豪森效應指在外加交變磁場作用下，鋼件等鐵磁性材料局部的磁疇將發生錯動。研究發現磁疇這種不可逆運動或跳躍性位移，將使材料表面釋放出持續的脈動電壓或噪音[2]。由于材料內部夾雜、晶界和位錯等阻礙，磁疇壁運動變得不連續，導致接收的電壓或噪音信號發生突變，尤其應力狀態和微觀結構變化對巴克豪森噪聲信號強度有極大的影響。MBN是磁滯回線的一種重要屬性，此外來源于不可逆磁化過程的磁滯回線參量矯頑力，同樣對材料微觀結構和應力變化敏感，應力、雜質、氣孔等磁各向異性缺陷均會影響矯頑力大小[3]。

基于磁巴克豪森效應和矯頑力的磁性能無損檢測技術已經有許多報道，陳金忠等[4]開發了一套基于磁巴克豪森噪音的管道應力內檢測裝備，并成功應用于X60鋼管道的現場檢測。劉柄顯等[5]利用磁巴克豪森噪音檢測裝置結合自適應模糊神經網絡，測量了激光燒傷齒輪的馬氏體組織深度。楊理踐等[6]提出了通過矯頑力測試材料應力，并得出矯頑力與應力大小成正比。秦智軍等[7]研究了外加應力對35號鋼磁特性的作用規律，并通過磁信號變化特征判斷構件安全性。除此之外，磁性無損技術在材料硬度[8]、晶粒度[9]、老化[10]檢測方面均做了一些應用嘗試。然而，現有研究大多聚焦于構件外載荷所產生的應力，鮮見有關熱處理殘余應力或組織變化無損檢測的報道，因此有必要開展材料在不同熱處理狀態下的磁特性研究。為此，本文以35CrMo鋼為研究對象，結合磁巴克豪森效應和矯頑力兩種無損檢測技術，研究不同熱處理狀態對磁特性的作用規律，為35CrMo鋼產品質量在線檢測提供技術參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料為35CrMo合金鋼，主要化學成分如表1 所示。材料原始狀態為熱軋無縫圓管，規格為φ219 mm×12 mm。截取長度320 mm管材，采用熱旋壓方式對兩端進行收口，共加工2只殼體(見圖1)。調質熱處理是改善鉻鉬鋼性能和使用壽命的重要環節[11]，參照某企業常用的熱處理工藝，利用連續式熱處理爐對2號殼體進行850 ℃×0.45 h淬火+610 ℃×2 h回火的調質處理，1號殼體保持原來的熱軋態，以獲得不同狀態的組織和性能。

表1 35CrMo鋼的化學成分(質量分數,%)

圖1 35CrMo鋼質殼體Fig.1 Shell of the 35CrMo steel

對于鐵磁性材料，外加強磁場誘發的磁疇運動會導致宏觀磁特性發生變化，如磁滯效應等物理現象，因而，基于磁滯回線原理可對材料結構和性能變化進行快速檢測[12]。對熱處理前后殼體的磁特性分別進行無損檢測，如圖2所示，在殼體圓筒段選取4條代表性測量路徑，每條測量線選定4個測量點，間隔d約為10 cm，相鄰兩條測量路徑對軸線的夾角約為90°。從側視圖上看，路徑2和3重合，實際上分別位于殼體的兩側。

圖2 殼體表面測試點分布Fig.2 Test points on surface of the shell

采用KRC-M2型鐵磁性材料結構分析儀進行磁特性測試，主要參數為磁矯頑力Hc(矯頑力參量本質上是磁場強度)，測量范圍為1～40 A/cm，誤差為2.5%～5.0%。無需打磨和使用耦合劑，通過檢測材料表層可實現微觀結構轉變的無損評估。其次，利用國產先進的磁巴克豪森噪聲檢測儀對各個測量點的應力狀態進行復檢，該儀器主要由信號發生器、功率放大器、信號處理器和采集器、計算機模塊等組成，其檢測系統示意圖見圖3，主要通過捕捉材料結構或損傷變化導致磁疇運動所需的能量改變，進而引起磁巴克豪森噪聲信號的變化規律，基于磁巴克豪森噪聲信號特征值與應力的標定曲線，實現對材料應力的定量檢測[13]。最后，對測量點進行打磨拋光，利用MH660型便攜式里氏硬度計進行表面硬度測試。采用JXD-Pro型現場光學顯微鏡觀察殼體熱處理前后微觀組織變化特征。

圖3 檢測系統示意圖[13]Fig.3 Schematic diagram of detection system[13]

2 結果分析與討論

2.1 結構與性能

熱處理是改善金屬材料及構件內在質量的關鍵工藝。35CrMo鋼無縫鋼管一般采用熱軋生產工藝，由于受加工成型和冷卻速度的影響，鋼管會產生大量的殘余應力。為改善材料組織的均勻性和穩定性，減小內部殘余應力水平，常對鋼管進行退火處理。磁矯頑力對微觀結構和性能變化非常靈敏，可用于鋼材等級分類甚至淬火、回火及退火效果評價[14]。

圖4為不同熱處理階段35CrMo鋼殼體表面矯頑力分布云圖，原始35CrMo鋼為熱軋狀態，未經退火處理，如圖4(a)所示，矯頑力測試結果為9.2～11.5 A/cm，矯頑力分布范圍較寬，波動幅度大，表明原始材料組織和性能不均勻，局部可能存在應力集中。35CrMo鋼殼體淬火處理后，如圖4(b)所示，矯頑力整體大幅提升，測試結果為19.60～20.87 A/cm，波動幅度收窄，但分布不均，局部存在“熱點”(見圖4(b)中的深色區域)。這是由于淬火導致馬氏體相變，晶粒尺寸減小，位錯密度增加，“針狀”晶界交錯使得磁疇運動阻力變大，矯頑力也隨之達最高水平。高溫回火后，馬氏體內應力消除，矯頑力水平雖然大幅降低，但分布變得更均勻，如圖4(c)所示，矯頑力測試結果為12.0～12.9 A/cm。需要說明的是，35CrMo鋼原始組織為鐵素體和珠光體(見圖5(a))，調質處理后轉化為回火索氏體，其本質上仍為鐵素體和滲碳體混合物，但由于晶粒細化作用(見圖5(b))，回火態35CrMo鋼殼體矯頑力水平仍高于其原始狀態[15]。

圖4 不同熱處理狀態下35CrMo鋼殼體的矯頑力分布云圖(a)原始態；(b)淬火態；(c)回火態Fig.4 Contour fields of coercive force of the 35CrMo steel shell under different heat treatment states(a) original state； (b) quenched； (c) tempered

對測量路徑上硬度和矯頑力的測試結果分別取平均值，圖6(a)為不同狀態下35CrMo鋼殼體的矯頑力和硬度均值分布，可以看出矯頑力與硬度值的變化趨勢基本一致，其與晶粒形狀、尺寸、位錯密度甚至碳化物分布相關[16]。淬火態下，由于馬氏體相變硬化效應，組織細化加上內部的高位錯密度，磁疇壁運動難度增加，此時硬度值和矯頑力均為最大。高溫回火后，回火索氏體主要由細晶鐵素體基體和均勻分布的滲碳體顆粒構成，硬度值和矯頑力均值雖大幅降低，總體上仍高于原始組織。對35CrMo鋼硬度值和矯頑力變化幅度進行量化表征，如圖6(b)所示，35CrMo鋼淬火后硬度值由443.81 HL提升至846.68 HL，增幅約90.70%；矯頑力也由10.42 A/cm 提升至19.85 A/cm，增幅約90.40%；回火后硬度值降為523.63 HL，矯頑力降為12.50 A/cm；相對于原始態，硬度值和矯頑力最終的增幅仍有17.98%和19.96%。基于矯頑力和硬度值之間這種近似線性的內在關系[17]，可嘗試利用矯頑力無損檢測技術替代材料性能破壞性檢測方法。

圖5 35CrMo鋼的顯微組織(a)原始態；(b)回火態Fig.5 Microstructure of the 35CrMo steel(a) original state； (b) tempered

圖6 35CrMo鋼殼體的矯頑力和硬度(a)分布;(b)變化幅度Fig.6 Coercive force and hardness of the 35CrMo steel shell(a) distribution； (b) variation

2.2 應力狀態

殘余應力或應力集中產生的勢能壘會阻礙磁疇運動，從而影響磁巴克豪森噪音(MBN)信號，基于此關系可以判斷材料的應力應變狀況[18]。不同的MBN信號特征值與應力的對應關系不同，選用均方根作為MBN信號特征值[19]，通過典型試樣的加載試驗，建立35CrMo鋼應力-均方根的標定曲線(見圖7(a))，在此基礎上進行35CrMo鋼殼體應力水平的無損評估。圖7(b)為35CrMo鋼殼體原始態、淬火和回火態的應力測試結果，盡管不同測量路徑、測量點的應力值波動較大，但整體變化趨勢為淬火態>原始態>回火態。MBN信號受材料成分、微觀組織和殘余應力的綜合影響，其中微觀結構和應力水平與材料加工及熱處理狀態密切相關。在35CrMo鋼熱軋過程中，不均勻冷卻或加工成形會使其內部產生較大的內應力。由于未經正火或退火處理，晶粒粗大，組織均勻性和穩定性均欠佳，鍛造殼體的殘余應力仍保持較高水平。淬火處理后，35CrMo鋼馬氏體相變產生的組織應力與內應力疊加，導致整體應力急劇上升。經高溫回火，部分內應力消除，組織均勻化，殘余應力水平降到最低，相應的材料性能達到最佳狀態。

圖7 35CrMo鋼殼體的標定曲線(a)及應力狀態(b)Fig.7 Calibration curve(a) and stress state(b) of the 35CrMo steel shell

3 結論

針對不同熱處理狀態下的35CrMo鋼組織和性能，通過磁矯頑力和磁巴克豪森噪音(MBN)檢測技術分析其磁特性變化規律，并與硬度測試進行對比。

1) 35CrMo鋼原始組織不均勻，矯頑力為10.42 A/cm；淬火使35CrMo鋼晶粒細化，矯頑力提高至19.85 A/cm，增幅約90.40%；回火后，組織均勻化，矯頑力降至12.50 A/cm，但與原始態相比，最終的增加幅度仍有19.96%。

2) 磁巴克豪森噪音(MBN)測試結果顯示原始態35CrMo鋼存在較大的局部應力，淬火后應力集中明顯，高溫回火后，部分內應力消除，組織均勻化，殘余應力水平降到最低。

3) 原始態35CrMo鋼表面硬度為443.81 HL，淬火后硬度提升至846.68 HL，高溫回火后硬度最終降至523.63 HL。35CrMo鋼的硬度與磁特性變化基本一致，表明磁性無損檢測技術可有效表征不同熱處理狀態下的材料組織與性能。