摘 要:探索了一種基于材料磁特性的無(wú)損檢測(cè)方法,用于全面評(píng)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(guò)整體調(diào)質(zhì)處理后,其組織為回火索氏體;熱處理后磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度等力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞:蓄能器;磁特性;矯頑力;硬度

中圖分類(lèi)號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)02-0018-04

蓄能器是液壓氣動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,主要用于 存儲(chǔ)和釋放能量,以及平衡管路的油壓波動(dòng),是用于 儲(chǔ)存高壓流體的容器。蓄能器工作壓力最高可達(dá) 31.5 MPa,由于其服役環(huán)境惡劣,因此對(duì)殼體的承 載能力有很高的要求[1]。為了保障蓄能器在高負(fù)荷 下安全運(yùn)行,一般選用35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼為承壓 殼體材料,經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理后,該結(jié)構(gòu)鋼可獲得良好 的強(qiáng)韌性[2],熱處理對(duì)提高蓄能器的疲勞強(qiáng)度,延長(zhǎng) 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(cè)方法有金相檢驗(yàn)和 力學(xué)性能檢測(cè),均屬于破壞性方法,需打磨或切割產(chǎn) 品,效率低,無(wú)法對(duì)批量產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)全范圍有效檢 測(cè)[3]。無(wú)損檢測(cè)可在不傷害檢測(cè)對(duì)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(cè)原材料,也能對(duì)半成品、成品實(shí)現(xiàn)全程檢測(cè), 甚至可對(duì)服役設(shè)備材料進(jìn)行在役檢測(cè)[4-5]。國(guó)內(nèi)外 學(xué)者利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在材料熱處理檢驗(yàn)和質(zhì)量控 制方面進(jìn)行了很多探索,張令中等[6]用渦流導(dǎo)電儀 檢測(cè)熱處理后鋁合金的硬度、強(qiáng)度及顯微組織;李衛(wèi) 彬等[7]基于非線性超聲技術(shù)對(duì) X-750鎳基高溫合金 的熱處理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)材料經(jīng)過(guò)熱處理后,其 性能越好,非線性效應(yīng)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(xué)性能與磁記憶 信號(hào)之間的關(guān)系,并建立了基于分布梯度和特征參 量的預(yù)測(cè)模型。采用渦流、超聲、電磁等技術(shù)對(duì)零部件表面的脫碳層進(jìn)行檢測(cè)也有一些報(bào)道。磁矯頑力 法與上述技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢(shì),目前主要應(yīng)用于 外載荷作用下材料內(nèi)部應(yīng)力的檢測(cè),而對(duì)產(chǎn)品整體 熱處理質(zhì)量評(píng)估方面的研究并不多見(jiàn)。

筆者針對(duì)某企業(yè)蓄能器承壓殼體熱處理檢驗(yàn)效 率不高的問(wèn)題,探索了一種基于材料磁特性的無(wú)損 檢測(cè)方法,結(jié)合常規(guī)的金相檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn),該方法 可用于快速評(píng)估蓄能器殼體的力學(xué)性能,以對(duì)批量 產(chǎn)品的熱處理效果進(jìn)行全面檢驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為蓄能器承壓殼體常用的35CrMo合 金鋼,其主要化學(xué)成分如表1所示。原材料為熱軋 無(wú)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(duì)其兩端進(jìn)行收口,共加 工1 # ,2 # 兩只殼體,長(zhǎng)度均為370mm(見(jiàn)圖1)。參 照某蓄能器生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際的整體制造工藝,利用連 續(xù)式輥底熱處理爐進(jìn)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)殼體熱處理前 后的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行快速評(píng)估。鐵磁性材 料的磁滯行為對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化非常敏感[5]。 當(dāng)材料成分和熱處理工藝一定時(shí),其微觀組織和應(yīng) 力分布是確定的,相應(yīng)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(píng)估熱處理 質(zhì)量。在殼 體 圓 筒 部 分 選 取 4 條 掃 查 路 徑 (見(jiàn) 圖 2),相鄰兩條路徑的夾角約為90°。具體檢測(cè)方案 為:① 利用 TSC-2M-8型應(yīng)力集中檢測(cè)儀分別沿4 條路徑進(jìn)行掃查,獲取掃查路徑整體的應(yīng)力狀況;② 在每 條 掃 查 路 徑 上 選 取 4 個(gè) 測(cè) 量 點(diǎn),間 隔 為 100mm,采用 KIM-2M 型殘余應(yīng)力檢測(cè)儀進(jìn)行矯 頑力檢測(cè);③ 采用JXD-Pro型金相顯微鏡分別對(duì) 1 # ,2 # 殼體進(jìn)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(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行打磨拋光,利 用便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度檢測(cè)。

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(zhǎng)變形(見(jiàn)圖3)。當(dāng)加熱至850 ℃時(shí),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(shí),馬氏體發(fā)生分解,碳化物進(jìn)一 步析出并聚集長(zhǎng)大,最終形成回火索氏體,組織均勻 細(xì)化,碳化物顆粒彌散分布(見(jiàn)圖4)。

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)梯度分析

熱處理殘余應(yīng)力對(duì)殼體的疲勞壽命有著重要影 響,研究表明,鐵磁性材料的應(yīng)力集中與磁場(chǎng)強(qiáng)度變 化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,熱處理會(huì)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(hào)曲線(圖 中1~8表示通道號(hào)),觀察磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hp 和磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)梯 度dH/dx 也超過(guò)極限值,表明這些位置可能存在應(yīng) 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(chǎng)梯度dH/dx 總體均低于極限值, 應(yīng)力消除效果顯著。磁場(chǎng)信號(hào)的特征參量k(x)ave 和 ΔH 如式(1),(2)所示。

式中:H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度;Hpmax 為最大磁場(chǎng)強(qiáng)度;Hpmin 為最小磁場(chǎng)強(qiáng)度;k(x)ave 為磁場(chǎng)梯度平均值。

圖6為熱處理前后35CrMo鋼殼體的磁場(chǎng)強(qiáng)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(shì)和幅值的變化趨勢(shì)基本一致,且 均顯著提高。磁記憶信號(hào)受材料熱處理的相變組織 和殘余應(yīng)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(xì) 化,磁導(dǎo)率變小,磁場(chǎng)強(qiáng)度變大,相 應(yīng) 的 ΔH 也 變 大,最終導(dǎo)致k(x)ave 增大。

2.3 力學(xué)性能與矯頑力

表3為熱處理前后35CrMo鋼的力學(xué)性能[11]。 圖7為1 # ,2 # 殼體不同測(cè)量點(diǎn)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(cè)時(shí)需打 磨殼體表面,這會(huì)對(duì)金屬造成輕微破壞,檢測(cè)結(jié)果嚴(yán) 格來(lái)說(shuō)屬于殼體表層硬度。矯頑力檢測(cè)是通過(guò)直流 電對(duì)殼體材料進(jìn)行磁化,磁力線穿過(guò)材料內(nèi)部,可對(duì) 8~12mm 深度的材料組織進(jìn)行檢測(cè)。研究表明, 氧化皮、鐵銹等形成的空氣間隙會(huì)增加磁阻,這是矯 頑力出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因,但對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果的綜 合誤差影響不大[12]。

35CrMo鋼經(jīng)淬火后,其強(qiáng)度和硬度大幅增加, 但塑性變差。高溫回火后,其塑性增強(qiáng)。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(yīng)的矯頑力也高了36.78%。這是因?yàn)? 35CrMo鋼經(jīng)過(guò)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(xì)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(cè)結(jié) 果進(jìn)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(shuō)明的是,矯頑力檢測(cè)結(jié)果除 與材料的種類(lèi)和性質(zhì)相關(guān)外,還與檢測(cè)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(guò)調(diào)質(zhì)熱處理后組織為回火索氏 體,晶粒細(xì)化;調(diào)質(zhì)熱處理后,相應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng) 強(qiáng)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(xué)性能變化。

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