C60鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,其碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.57%～0.65%。C60鋼具有高硬度、高強(qiáng)度以及低成本等優(yōu)點(diǎn),在鋼制品行業(yè)中需求量大、應(yīng)用廣泛,其主要用于制造彈簧圈、輪軸、凸輪、鋼繩等構(gòu)件[1-4]。C60鋼的硬度是制造高強(qiáng)度機(jī)械零件的重要參數(shù)[5],大量的理論與試驗(yàn)研究表明：微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起材料硬度的變化,還會(huì)對(duì)材料的電磁特性產(chǎn)生較大影響[6-8]。HAO等[9]應(yīng)用電磁技術(shù)研究了兩相鋼微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)模型,發(fā)現(xiàn)鐵素體的形態(tài)分布對(duì)材料的磁導(dǎo)率有顯著影響。黃炎等[10]應(yīng)用渦流檢測(cè)方法分別對(duì)45鋼和S136鋼進(jìn)行檢測(cè),將其與硬度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,最終確定上述兩種鋼的硬度與渦流阻抗幅值之間的線(xiàn)性關(guān)系。HENAGER等[11]研究了HT－9合金微觀(guān)結(jié)構(gòu)與電磁特性之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)電磁特性參數(shù)與材料的硬度呈正相關(guān)。GUKENDRAN等[12]研究發(fā)現(xiàn)渦流檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)AISI4130鋼熱處理試樣硬度特性的有效手段,可以用電磁方法對(duì)材料的硬度進(jìn)行測(cè)試。KASHEFI等[13]建立了線(xiàn)圈歸一化阻抗與破壞性沖擊試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系,利用電磁信號(hào)可以有效地預(yù)測(cè)4340回火鋼的纖維組織性能。

筆者以C60模具鋼為研究對(duì)象,采用中心頻率為4 kHz的矩形穿過(guò)式渦流探頭,對(duì)試樣進(jìn)行不同參數(shù)的回火處理；觀(guān)察不同回火條件下材料的顯微組織,確定顯微組織與材料電磁特性參量、力學(xué)性能的關(guān)系；采集不同回火溫度下試樣的渦流信號(hào),將渦流阻抗和試樣的洛氏硬度進(jìn)行回歸分析,確定了渦流信號(hào)阻抗與洛氏硬度之間的電磁數(shù)學(xué)方程,為C60模具鋼材料硬度的無(wú)損檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1.   試樣制備

試驗(yàn)材料選用厚度為3 mm的C60模具鋼,其化學(xué)成分如表1所示,該產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)淬火處理。合適的回火工藝能調(diào)整模具鋼原始組織的不均勻性和硬度,以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求[14-16]。經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)研究,制定了合適的C60模具鋼回火試驗(yàn)方案。將試樣回火溫度分別設(shè)置為300,340,380,400,440,480,550,590,630 ℃,保溫2 h后出爐自然空冷。

利用電火花線(xiàn)切割方法在回火處理后的試樣上取樣,試樣經(jīng)磨拋后,用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕,在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察其顯微組織。用洛氏硬度計(jì)對(duì)經(jīng)過(guò)不同回火溫度處理后的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,每個(gè)試樣正反面共測(cè)24個(gè)點(diǎn),將最后得到的算數(shù)平均值作為該試樣的最終硬度。C60模具鋼的不同回火工藝參數(shù)及硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

2.   試驗(yàn)原理及裝置

2.1   渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的無(wú)損檢測(cè)方法,當(dāng)載有交變電流的線(xiàn)圈靠近導(dǎo)體時(shí),線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中感生出渦流檢測(cè)線(xiàn)圈,且不需要接觸工件,對(duì)工件表面及近表面的缺陷有很高的檢測(cè)靈敏度[17]。

線(xiàn)圈可以由電抗、電容和電阻串聯(lián)的電路表示,通常忽視線(xiàn)匝間分布的電容。線(xiàn)圈的復(fù)阻抗Z的表示方法如式(1)所示。

式中：R為實(shí)部線(xiàn)圈的直流電阻；L為線(xiàn)圈的電感；f為頻率。

L的計(jì)算方法如式(2)所示。

式中：μ為金屬材料的磁導(dǎo)率；A為線(xiàn)圈的截面積；N為線(xiàn)圈匝數(shù)；I為線(xiàn)圈長(zhǎng)度。

阻抗平面圖是以電阻R為橫坐標(biāo),電感XL為縱坐標(biāo)形成的直角坐標(biāo)系,則線(xiàn)圈阻抗Z的計(jì)算方法如式(3)所示。

2.2   渦流檢測(cè)裝置

C60模具鋼硬度的渦流檢測(cè)信號(hào)采集裝置如圖1所示。由圖1可知：檢測(cè)裝置由穿過(guò)式渦流探頭、渦流信號(hào)發(fā)射接收裝置、高速模/數(shù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成。當(dāng)待測(cè)C60模具鋼勻速通過(guò)穿入式渦流探頭,同時(shí)在激勵(lì)線(xiàn)圈中接通4 000 Hz的正弦交流電時(shí),金屬材料中會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng),引起材料的渦流信號(hào)發(fā)生變化,通過(guò)高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集渦流信號(hào),最后顯示在計(jì)算機(jī)上。

圖  1  C60模具鋼硬度的渦流檢測(cè)信號(hào)采集裝置示意

3.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1   金相檢驗(yàn)

圖2為C60模具鋼不同溫度回火后的顯微組織形貌。由圖2可知：經(jīng)300 ℃×2 h的回火處理后,試樣的組織主要為回火屈氏體,回火屈氏體由鐵素體和粒狀碳化物組成；在回火熱處理過(guò)程中,鐵素體基體呈條狀,含量約為10%,碳化物滲透其中,呈細(xì)顆粒狀；當(dāng)回火溫度為440～630 ℃時(shí),試樣的組織主要為回火索氏體,回火索氏體由鐵素體和較粗的粒狀碳化物組成；經(jīng)充分回火后,條狀碳化物消失,此時(shí)鐵素體含量約為80%?；鼗饻囟仁邱R氏體分解的關(guān)鍵因素,隨著回火溫度的升高,馬氏體中碳元素含量降低,當(dāng)回火溫度較低時(shí),碳原子擴(kuò)散速率較慢,馬氏體溶解緩慢。

圖  2  C60模具鋼不同溫度回火后的顯微組織形貌

3.2   渦流檢測(cè)

圖3為300 ℃回火后C60模具鋼試樣的渦流檢測(cè)電阻與電感波形圖。利用渦流檢測(cè)裝置測(cè)量不同回火溫度下C60模具鋼的電感和電阻,并計(jì)算不同回火溫度下C60模具鋼的阻抗,結(jié)果如表3和圖4所示。由表3和圖4可知：隨著回火溫度的升高,試樣的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行重排,原子間距離增大,導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)中電子運(yùn)動(dòng)受到阻礙,從而增大了材料的電磁特性參數(shù)。

圖  3  300 ℃回火后C60模具鋼試樣的渦流檢測(cè)電阻與電感波形

圖  4  不同回火溫度下C60模具鋼的電磁特性參數(shù)

3.3   硬度測(cè)試

回火溫度會(huì)改變材料內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu),使內(nèi)部疇壁結(jié)構(gòu)及疇壁運(yùn)動(dòng)形式不同,導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率等磁性特征參數(shù)發(fā)生變化,從而在材料表面產(chǎn)生渦流,因此可以利用檢測(cè)線(xiàn)圈的阻抗來(lái)測(cè)量其硬度[18-20]。建立試樣洛氏硬度與渦流輸出的關(guān)系,以表3中的洛氏硬度為因變量,渦流阻抗為自變量,應(yīng)用最小二乘法對(duì)兩者進(jìn)行線(xiàn)性擬合。

橫軸為經(jīng)計(jì)算得到的阻抗,縱軸為超聲硬度計(jì)測(cè)量得到的洛氏硬度,其最小二乘法的擬合曲線(xiàn)如圖5所示,一元二次擬合方程如式(4)所示。

擬合優(yōu)度是樣本回歸線(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)擬合優(yōu)劣的指標(biāo),擬合優(yōu)度越接近1,說(shuō)明回歸線(xiàn)對(duì)觀(guān)測(cè)值的擬合程度越好；反之則說(shuō)明回歸線(xiàn)對(duì)觀(guān)測(cè)值的擬合程度越差[21]。圖5中擬合優(yōu)度為0.98,表明阻抗與洛氏硬度的一元回歸線(xiàn)擬合度很好。

圖  5  阻抗與洛氏硬度最小二乘法的擬合曲線(xiàn)

取8個(gè)同一批次生產(chǎn)的C60模具鋼,用不同回火溫度的熱處理工藝對(duì)這8個(gè)試樣進(jìn)行處理,利用渦流檢測(cè)裝置對(duì)試樣進(jìn)行渦流檢測(cè)。將渦流檢測(cè)硬度與實(shí)際硬度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。

圖  6  渦流檢測(cè)硬度與實(shí)際硬度測(cè)試結(jié)果的誤差柱狀圖

由圖6可知：渦流檢測(cè)硬度與實(shí)際硬度測(cè)試結(jié)果相差不大,滿(mǎn)足±1 HRC的精度要求。利用渦流檢測(cè)法可以對(duì)C60模具鋼進(jìn)行硬度測(cè)試,即擬合公式(4)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同回火溫度下C60模具鋼的渦流表征。

4.   結(jié)論

(1) 對(duì)淬火后的C60模具鋼進(jìn)行回火處理,在保溫時(shí)間相同的條件下,隨著回火溫度的升高,C60模具鋼顯微組織中回火屈氏體的含量逐漸減少,回火馬氏體含量增加,鐵素體體積增大,原子的熱運(yùn)動(dòng)減弱,使原子自旋耦合現(xiàn)象增強(qiáng),從而提高了渦流電磁參數(shù)。當(dāng)回火溫度為630 ℃時(shí),渦流阻抗達(dá)到最大。

(2) 回火溫度升高導(dǎo)致C60模具鋼結(jié)構(gòu)重新排列,鐵素體含量增加,原子間的距離增大、作用力減小,導(dǎo)致材料的硬度減小。當(dāng)回火溫度為300 ℃時(shí),C60模具鋼的洛氏硬度最大。

(3) 利用最小二乘法數(shù)學(xué)模型,結(jié)合渦流信號(hào)阻抗與常規(guī)硬度測(cè)試,得到C60模具鋼渦流信號(hào)阻抗與洛氏硬度之間的電磁數(shù)學(xué)方程,該模型對(duì)試樣硬度的預(yù)測(cè)值與洛氏硬度計(jì)實(shí)測(cè)值相比,相對(duì)誤差小于1%,結(jié)果可靠。

文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)