金屬材料馬氏體相變聲發射特性

蔣　鵬，張璐瑩，王　驍，李　偉

(東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318)

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金屬材料馬氏體相變聲發射特性

蔣鵬，張璐瑩，王驍，李偉

(東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318)

利用聲發射技術對45鋼、GCr15鋼和T12鋼三種材料進行連續冷卻條件下馬氏體相變監測試驗，并以相變聲發射參量分布及波形特性為基礎，分析了馬氏體相變聲發射信號的時頻特性。結果表明，GCr15鋼具有明顯的等溫馬氏體相變特征，45鋼、T12鋼為變溫馬氏體特征，且片狀馬氏體聲發射信號幅值與能量高于板條狀馬氏體，具有較寬的頻率范圍。

馬氏體相變；聲發射；特征參量；頻率特征

淬火是熱處理工藝中的主要環節，是一種在快速降溫過程中以大于臨界冷卻速度的速度快冷到Ms(馬氏體相變開始溫度)以下進行馬氏體相變的熱處理工藝[1]。然而,在馬氏體的形成過程中，其組織界面的遷移速度很高，且相變模式多樣，傳統分析手段難以實現馬氏體相變過程的實時動態檢測，因此難以準確了解相變的動力特性和形態變化[2]。以馬氏體相變過程中組織變化所產生的彈性波為聲源，聲發射信號直接來源于相變本身，能夠動態檢測馬氏體相變的全過程，從而分析相變過程中不同材料的馬氏體形成規律和組織形態[3]。

筆者以不同含碳量的45鋼、GCr15鋼和T12鋼為對象，利用聲發射信號參量及波形分析方法研究馬氏體相變過程中的聲發射信號分布規律及不同相變過程聲發射參量的統計規律，并結合金相顯微鏡得到不同形態馬氏體的波形及頻率變化特征。

1　試驗制備與方法

因為含碳量不同的材料，其馬氏體相變過程的轉變模式和最終的馬氏體組織均有所不同，所以根據經典馬氏體相變形態學理論，選擇低、中、高碳鋼三種材料，其化學成分如表1所示[4]。

聲發射系統選擇美國PAC公司的PCI-2系統，采用寬帶傳感器WD，傳感器頻率范圍為100 kHz～1 000 kHz。利用波導桿與試件相連接以避免高溫對傳感器的損害，冷卻介質為水。同時,利用熱電偶獲取試件溫度變化并同步引入聲發射系統。試驗裝置如圖1所示。

表1　三種試件成分(質量分數)　%

圖1　聲發射數據采集試驗裝置簡圖

2　試驗結果分析

2.1聲發射信號參量分析

每三種試件為一組，共進行了20組試驗。對試驗結果進行分析，發現在馬氏體相變過程中不同材料的馬氏體相變聲發射信號的分布規律有一定差異。

圖2　三種試件的累加撞擊數經歷圖

圖2為三種試件的聲發射撞擊數(Hits)經歷圖，從圖中可以看出:GCr15鋼試件的Hits總數528，在三種試件中最多;45鋼為217，T12鋼為389。這主要是因為45鋼與T12鋼均為變溫馬氏體相變，相變量的多少只與溫度變化有關。而GCr15鋼除了具有變溫馬氏體特性外還伴隨一定的等溫馬氏體相變特性，在溫度降低到馬氏體結束溫度Mf后，伴隨時間的增加還有馬氏體不斷形成，因此撞擊數相對較多。GCr15鋼在馬氏體相變開始后，伴隨馬氏體的形核與長大，儲存于奧氏體中彈性應變能被釋放，并在晶體之間傳播，進而形成了馬氏體相變的聲源。而當溫度低于Mf時，組織內的殘余奧氏體重新形核、長大，因此隨著時間的變化始終伴隨少量聲發射信號的產生[5]。

同時對比三種試件的撞擊數經歷圖，如圖3所示，三種試件的撞擊數峰值的出現時間也有所差別，45鋼與T12鋼的撞擊數峰值出現在20 s左右，GCr15鋼在50 s左右還出現了一個空增的撞擊數。

圖3　三種試件的撞擊數經歷圖

圖4為三種試件在馬氏體相變過程中的聲發射信號幅值分布圖，試驗過程中聲發射系統門檻設置為35 dB。從圖中的分布趨勢可以看出，馬氏體相變聲發射信號幅值主要分布在35～60 dB間，其中35～50 dB間的信號占總信號量的80%。由此可見，馬氏體相變的聲發射幅值相對較低，相對于裂紋開裂形成的聲發射信號幅值有明顯的降低。同時三種試件的聲發射信號幅值的時間分布也有所不同，45鋼與T12鋼的幅值主要分布在0～20 s間，GCr15鋼由于具有等溫相變特征而在50 s以后也有一些較高的幅值分布。

圖4　三種試件的幅值經歷圖

圖5為馬氏體相變聲發射信號幅值-撞擊數的分布圖，從圖中可以看出，45鋼的撞擊數主要分布于35～40 dB間，GCr15鋼分布于40～50 dB間，T12鋼主要分布于45～60 dB間。

圖5　三種試件的幅值-撞擊分布圖

從以上聲發射的參量分析可以看出，由于三種試件的含碳量和相變動力學特性不同，因此在馬氏體相變過程中聲發射信號的特征參量具有一定的不同，GCr15鋼的馬氏體相變過程中聲發射信號撞擊數要多于其他兩種試件，這主要是等溫相變馬氏體的形成受時間的影響。馬氏體相變聲發射振鈴計數主要分布于0～30間，幅值分布于35～60 dB間，能量也較小(主要集中于0～80 dB之間)。如圖6所示，三種試件由于不同的馬氏體相變動力學特性和馬氏體相變形態，因此在聲發射參量特征上有所不同，其中等溫相變馬氏體的累計撞擊數最多，而片狀馬氏體的幅值、能量及振鈴計數最大。

圖6　含碳量與聲發射參數關系圖

2.2聲發射信號波形分析

金屬的馬氏體形態主要由其化學成分決定，根據金屬相變理論可知，45鋼的馬氏體組織主要是板條狀馬氏體,GCr15鋼則同時具有板條狀與片狀馬氏體，而T12鋼基本為片狀馬氏體。三種試件相變后的金相照片如圖7所示。

圖7　三種試件相變后的金相組織照片

馬氏體相變聲發射信號來源于馬氏體相變組織本身，因此,不同馬氏體組織的聲發射信號具有不同的波形和頻率特征。圖8～11為不同馬氏體組織聲發射信號的波形和頻譜圖。從圖中可以看出:馬氏體相變聲發射信號的波形呈現突發形特征，但不同形態馬氏體的波形有所區別，一種上升時間較長，衰減趨勢平緩、持續時間較長，而另一種波形前沿很陡，衰減較快。而兩種聲發射信號的頻率范圍也不盡相同，一種是峰值頻率集中在200 kHz，頻率范圍較窄，頻率成分集中；另一種峰值頻率在300 kHz左右，且頻率分布范圍寬，頻率成分多位于100 kHz～400 kHz間。

圖8　45鋼板條狀馬氏體信號波形與頻譜

圖9　GCr15鋼板條狀馬氏體波形與頻譜

圖10　GCr15鋼片狀馬氏體波形與頻譜

圖11　T12鋼片狀馬氏體波形與頻譜

這主要是由于板條狀馬氏體主要由高密度位錯形成，其形核過程速度較低，微切變較少，因此在波形上呈現衰減較為平緩的突發性信號且峰值頻率較低。而片狀馬氏體主要由孿晶結構組成，形核、長大過程極快，釋放的彈性波強度很高，因此，其波形衰減很快且峰值頻率較高。由此可以看出，不同組織形態的馬氏體的聲發射波形特征區別明顯，因此利用聲發射信號的波形分析能夠準確地識別馬氏體組織特征。

3　結論

采用聲發射技術對三種不同含碳量金屬材料的馬氏體相變過程進行了動態監測，通過對馬氏體相聲發射信號的參量及波形分析，可以看出不同含碳量材料由于馬氏體相變動力學特性的差別，其聲發射信號的參量特征有所不同；并且，通過波形分析得到了不同形態馬氏體的波形與頻率特征。結果顯示，應用聲發射技術能夠實現金屬材料馬氏體相變的動態監測，識別不同相變類型的聲發射信號，進而得到材料馬氏體相變的動態變化規律，為材料熱處理過程的組織變化動態監測與評價提供了依據。

[1]常永坤.金屬材料與熱處理[M].濟南：山東科學技術出版社，2006.

[2]谷臣清，付萍，賈建軍.馬氏體相變的彈性波促發形核[J].金屬學報，2001，37 (8)：791-794.

[3]ENTWISLE A R. Martensitic transformation and mechanical properties of Ni-Mn-Ga-Y ferromagnetic shapememoryalloys[J].Scr Mater,2007,57(7):659-662.

[4]譚真，郭廣文.工程合金熱物性[M].北京：冶金工業出版社，1994：52-63.

[5]王艷，蔣學芳.馬氏體相變形核機理[J].河北工業大學學報，2004，33(6)：102-104.

Martensite Transformation Characteristics of Metal Material Based on Acoustic Emission

JIANG Peng,ZHANG Lu-ying,WANG Xiao,LI Wei

(College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

In this paper,the acoustic emission technology is used to perform the martensite phase change monitoring experiment under continuous cooling conditions for three kinds of materials,45 steel,GCr15 steel and T12 steel,and to implement the time-frequency characteristic research based on acoustic emission parameter distribution and the waveform feature of the phase change. The results show that GCr15 steel has obvious phase transformation characteristics of isothermal martensite,45 steel and T12 steel have the characteristics of variable temperature martensite,and the acoustic emission signal amplitude and energy in lamellar martensite are higher than those in plate strip martensite,and the signal in lamellar martensite has a wide range of frequencies.

Martensite transformation;Acousticemission;Characteristic parameter;Frequency characteristic

2016-03-01

黑龍江省自然科學基金資助項目(E2016012)

蔣鵬(1981-)，男，講師，博士，主要從事材料聲發射特性研究。

蔣鵬，E-mail: jpnepu@163.com。

10.11973/wsjc201608005

TG161;TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0022-04