沈正祥, 張翰林, 裘浩田, 黃煥東, 楊 福, 牛亞平, 陳 虎

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 蓄能器型式試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室， 寧波 315048；2.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)公司， 寧波 315048)

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(yàn)和力學(xué)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(duì)批量產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)全范圍有效檢測[3]。無損檢測可在不傷害檢測對(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，既可檢測原材料，也能對(duì)半成品、成品實(shí)現(xiàn)全程檢測，甚至可對(duì)服役設(shè)備材料進(jìn)行在役檢測[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者利用無損檢測技術(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，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，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。

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(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。原材料為熱軋無縫圓管，外徑為219 mm，壁厚為12 mm，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，長度均為370 mm(見圖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。

圖1 35CrMo鋼殼體的宏觀形貌

表1 35CrMo鋼的化學(xué)成分 %

表2 殼體的熱處理方案

采用金相方法和無損檢測技術(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?；诖颂卣?，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(yīng)力集中檢測儀分別沿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)測量點(diǎn)，間隔為100 mm，采用KIM-2M型殘余應(yīng)力檢測儀進(jìn)行矯頑力檢測;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。

圖2 無損檢測掃查路徑示意

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(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(見圖4)。

圖3 熱處理前35CrMo鋼的微觀形貌

圖4 熱處理后35CrMo鋼的微觀形貌

2.2 磁場強(qiáng)度與磁場梯度分析

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))，觀察磁場強(qiáng)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(duì)應(yīng)的磁場梯度dH/dx也超過極限值，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，但磁場梯度dH/dx總體均低于極限值，應(yīng)力消除效果顯著。磁場信號(hào)的特征參量k(x)ave和ΔH如式(1),(2)所示。

圖5 35CrMo鋼殼體的磁記憶信號(hào)曲線

k(x)ave=dH/dxave

(1)

ΔH=|Hpmax-Hpmin|ave

(2)

式中：H為磁場強(qiáng)度;Hpmax為最大磁場強(qiáng)度;Hpmin為最小磁場強(qiáng)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(qiáng)度與梯度均值變化柱狀圖，可看出熱處理后k(x)ave與ΔH的變化趨勢和幅值的變化趨勢基本一致，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，磁場強(qiáng)度變大，相應(yīng)的ΔH也變大，最終導(dǎo)致k(x)ave增大。

圖6 熱處理前后35CrMo鋼殼體的磁場強(qiáng)度與梯度均值變化柱狀圖

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。硬度檢測時(shí)需打磨殼體表面，這會(huì)對(duì)金屬造成輕微破壞，檢測結(jié)果嚴(yán)格來說屬于殼體表層硬度。矯頑力檢測是通過直流電對(duì)殼體材料進(jìn)行磁化，磁力線穿過材料內(nèi)部，可對(duì)8～12 mm深度的材料組織進(jìn)行檢測。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)際檢測結(jié)果的綜合誤差影響不大[12]。

表3 熱處理前后35CrMo鋼的力學(xué)性能

圖7 1#,2#殼體不同測量點(diǎn)的矯頑力與硬度分布

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)椋?5CrMo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(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)。

圖8 35CrMo鋼殼體矯頑力與硬度的關(guān)系

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(xì)化；調(diào)質(zhì)熱處理后，相應(yīng)磁場強(qiáng)度和磁場強(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。