摘 要:探索了一種基于材料磁特性的無損檢測方法,用于全面評估蓄能器承壓殼體的熱處理 效果。結(jié)果表明:35CrMo鋼殼體經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)處理后,其組織為回火索氏體;熱處理后磁場強度 及其梯度均顯著增大;矯頑力由749A/m 增加至1025A/m,并與硬度呈線性關(guān)系;可用材料的矯 頑力有效表征蓄能器承壓殼體的硬度和強度等力學性能。

關(guān)鍵詞:蓄能器;磁特性;矯頑力;硬度

中圖分類號:TG115 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)02-0018-04

蓄能器是液壓氣動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,主要用于 存儲和釋放能量,以及平衡管路的油壓波動,是用于 儲存高壓流體的容器。蓄能器工作壓力最高可達 31.5 MPa,由于其服役環(huán)境惡劣,因此對殼體的承 載能力有很高的要求[1]。為了保障蓄能器在高負荷 下安全運行,一般選用35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼為承壓 殼體材料,經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后,該結(jié)構(gòu)鋼可獲得良好 的強韌性[2],熱處理對提高蓄能器的疲勞強度,延長 工作壽命也具有重要意義。

常規(guī)材料熱處理的質(zhì)量檢測方法有金相檢驗和 力學性能檢測,均屬于破壞性方法,需打磨或切割產(chǎn) 品,效率低,無法對批量產(chǎn)品質(zhì)量實現(xiàn)全范圍有效檢 測[3]。無損檢測可在不傷害檢測對象的前提下,判 斷材料內(nèi)部是否存在結(jié)構(gòu)不均勻或缺陷等異常,既 可檢測原材料,也能對半成品、成品實現(xiàn)全程檢測, 甚至可對服役設(shè)備材料進行在役檢測[4-5]。國內(nèi)外 學者利用無損檢測技術(shù)在材料熱處理檢驗和質(zhì)量控 制方面進行了很多探索,張令中等[6]用渦流導電儀 檢測熱處理后鋁合金的硬度、強度及顯微組織;李衛(wèi) 彬等[7]基于非線性超聲技術(shù)對 X-750鎳基高溫合金 的熱處理參數(shù)進行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)材料經(jīng)過熱處理后,其 性能越好,非線性效應則越弱;林莉等[8]用超聲波速 度表征了38CrMoAl鋼的熱處理轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)波 速與回火溫度有著很好的線性相關(guān)性。任尚坤等[9] 研究了不同回火條件下,45鋼的力學性能與磁記憶 信號之間的關(guān)系,并建立了基于分布梯度和特征參 量的預測模型。采用渦流、超聲、電磁等技術(shù)對零部件表面的脫碳層進行檢測也有一些報道。磁矯頑力 法與上述技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢,目前主要應用于 外載荷作用下材料內(nèi)部應力的檢測,而對產(chǎn)品整體 熱處理質(zhì)量評估方面的研究并不多見。

筆者針對某企業(yè)蓄能器承壓殼體熱處理檢驗效 率不高的問題,探索了一種基于材料磁特性的無損 檢測方法,結(jié)合常規(guī)的金相檢驗和硬度檢驗,該方法 可用于快速評估蓄能器殼體的力學性能,以對批量 產(chǎn)品的熱處理效果進行全面檢驗。

1 試驗材料及方法

試驗材料為蓄能器承壓殼體常用的35CrMo合 金鋼,其主要化學成分如表1所示。原材料為熱軋 無縫圓管,外徑為219mm,壁厚為12mm,任意截 取一段鋼管,采用加熱方式對其兩端進行收口,共加 工1 # ,2 # 兩只殼體,長度均為370mm(見圖1)。參 照某蓄能器生產(chǎn)企業(yè)實際的整體制造工藝,利用連 續(xù)式輥底熱處理爐進行調(diào)質(zhì)熱處理,熱處理方案如 表2所示。

采用金相方法和無損檢測技術(shù)對殼體熱處理前 后的顯微組織和力學性能進行快速評估。鐵磁性材 料的磁滯行為對微觀結(jié)構(gòu)和應力變化非常敏感[5]。 當材料成分和熱處理工藝一定時,其微觀組織和應 力分布是確定的,相應的磁滯特征也是確定的?；?于此特征,材料的磁性參數(shù)可用于快速評估熱處理 質(zhì)量。在殼 體 圓 筒 部 分 選 取 4 條 掃 查 路 徑 (見 圖 2),相鄰兩條路徑的夾角約為90°。具體檢測方案 為:① 利用 TSC-2M-8型應力集中檢測儀分別沿4 條路徑進行掃查,獲取掃查路徑整體的應力狀況;② 在每 條 掃 查 路 徑 上 選 取 4 個 測 量 點,間 隔 為 100mm,采用 KIM-2M 型殘余應力檢測儀進行矯 頑力檢測;③ 采用JXD-Pro型金相顯微鏡分別對 1 # ,2 # 殼體進行顯微組織觀察,以分析熱處理前后 材料的微觀結(jié)構(gòu)演變。對測量點進行打磨拋光,利 用便攜式里氏硬度計進行表面硬度檢測。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 顯微組織分析

熱處理前,35CrMo合金鋼為熱軋退火態(tài),其顯 微組織主要為鐵素體和珠光體,晶粒未發(fā)生明顯拉 長變形(見圖3)。當加熱至850 ℃時,淬火后其顯 微組織直接為馬氏體、少量碳化物和殘余奧氏體。 在610℃高溫回火時,馬氏體發(fā)生分解,碳化物進一 步析出并聚集長大,最終形成回火索氏體,組織均勻 細化,碳化物顆粒彌散分布(見圖4)。

2.2 磁場強度與磁場梯度分析

熱處理殘余應力對殼體的疲勞壽命有著重要影 響,研究表明,鐵磁性材料的應力集中與磁場強度變 化存在對應關(guān)系,熱處理會使材料的磁特性發(fā)生變 化[10]。圖5為35CrMo鋼殼體的磁記憶信號曲線(圖 中1~8表示通道號),觀察磁場強度 Hp 和磁場梯度 dH/dx 的變化特征,1 # 殼體的曲線整體較為平緩,但 兩端存在明顯的突躍變化(虛線框內(nèi)),對應的磁場梯 度dH/dx 也超過極限值,表明這些位置可能存在應 力集中。經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后,2 # 殼體的曲線盡管還存 在局部突變,但磁場梯度dH/dx 總體均低于極限值, 應力消除效果顯著。磁場信號的特征參量k(x)ave 和 ΔH 如式(1),(2)所示。

式中:H 為磁場強度;Hpmax 為最大磁場強度;Hpmin 為最小磁場強度;k(x)ave 為磁場梯度平均值。

圖6為熱處理前后35CrMo鋼殼體的磁場強度 與梯度均值變化柱狀圖,可看出熱處理后k(x)ave 與 ΔH 的變化趨勢和幅值的變化趨勢基本一致,且 均顯著提高。磁記憶信號受材料熱處理的相變組織 和殘余應力影響較大,原始態(tài)35CrMo鋼的顯微組 織為鐵素體+珠光體,但晶粒較大;經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理 后,35CrMo鋼 的 顯 微 組 織 為 回 火 索 氏 體,晶 粒 細 化,磁導率變小,磁場強度變大,相 應 的 ΔH 也 變 大,最終導致k(x)ave 增大。

2.3 力學性能與矯頑力

表3為熱處理前后35CrMo鋼的力學性能[11]。 圖7為1 # ,2 # 殼體不同測量點的矯頑力和硬度分 布,可看出殼體的硬度分布均勻。硬度檢測時需打 磨殼體表面,這會對金屬造成輕微破壞,檢測結(jié)果嚴 格來說屬于殼體表層硬度。矯頑力檢測是通過直流 電對殼體材料進行磁化,磁力線穿過材料內(nèi)部,可對 8~12mm 深度的材料組織進行檢測。研究表明, 氧化皮、鐵銹等形成的空氣間隙會增加磁阻,這是矯 頑力出現(xiàn)波動的主要原因,但對實際檢測結(jié)果的綜 合誤差影響不大[12]。

35CrMo鋼經(jīng)淬火后,其強度和硬度大幅增加, 但塑性變差。高溫回火后,其塑性增強。調(diào)質(zhì)態(tài)2 # 殼體的硬 度 均 值 比 原 始 態(tài) 1 # 殼 體 的 硬 度 均 值 高 17.98%,相應的矯頑力也高了36.78%。這是因為: 35CrMo鋼經(jīng)過淬火后形成板條狀馬氏體組織,矯 頑力大幅提升;高溫回火后,只有部分碳原子以碳化 物形態(tài)析出。由于晶粒細化,調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼殼 體的矯 頑 力 下 降 了,但 仍 高 于 其 原 始 態(tài) 的 矯 頑 力[13]。將35CrMo鋼殼體的矯頑力與硬度檢測結(jié) 果進行擬合,結(jié)果如圖8所示,矯頑力與硬度大體上 呈線性關(guān)系[14]。需要說明的是,矯頑力檢測結(jié)果除 與材料的種類和性質(zhì)相關(guān)外,還與檢測探頭的頻率、 形狀、尺寸等因素有關(guān)。

3 結(jié)論

(1)蓄能器用35CrMo鋼的原始顯微組織為鐵 素體+珠光體,經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后組織為回火索氏 體,晶粒細化;調(diào)質(zhì)熱處理后,相應磁場強度和磁場 強度梯度均變大。

(2)熱處理后矯頑力與硬度呈線性相關(guān),因此 用矯頑力可以表征35CrMo鋼殼體熱處理前后的力 學性能變化。

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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 2期 (pp:18-21)>