奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐高溫和耐腐蝕性能,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域,在材料出廠前,一般需要對(duì)其進(jìn)行固溶化處理,以獲得單一的奧氏體組織。如果經(jīng)過固溶處理后奧氏體不銹鋼材料不合格,就很容易發(fā)生晶粒長大、敏化等材料劣化損傷,而且奧氏體不銹鋼壓力容器等設(shè)備在制造過程中也會(huì)受熱成形、焊接、消應(yīng)力熱處理等加工工藝的影響而發(fā)生晶間敏化,最終導(dǎo)致材料在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生晶間腐蝕[1－2]。金相檢驗(yàn)是評(píng)定奧氏體晶粒度的常用方法,晶間敏化的檢測(cè)主要是采用對(duì)模擬試樣進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)后的金相檢驗(yàn)方法[3],或采用與正常材料的腐蝕電流密度及自腐蝕電位差異來表征[4]。在實(shí)際工作中,人們關(guān)注更多的是奧氏體不銹鋼材料的監(jiān)督檢驗(yàn)材料是否錯(cuò)用,化學(xué)成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求等,而對(duì)于材料熱處理是否合格、熱作業(yè)過程中是否存在材質(zhì)劣化等關(guān)注較少。

超聲檢測(cè)和硬度測(cè)試是材料檢測(cè)和性能表征的兩種基本方法,具有快速、方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于一線生產(chǎn)領(lǐng)域的材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)和表面力學(xué)性能測(cè)試,而且隨著研究的深入,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大,如利用線性超聲對(duì)不銹鋼晶粒尺寸[5]、敏化程度[6－7]、疲勞和棘輪損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)等[8],利用非線性聲學(xué)效應(yīng)對(duì)304不銹鋼晶粒尺寸進(jìn)行檢測(cè)和腐蝕敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)[9－10]、Super304H中的早期晶間腐蝕檢測(cè)[11]、304和304L不銹鋼的敏化評(píng)價(jià)[12],利用顯微硬度指標(biāo)表征不同熱處理工藝下不銹鋼的晶粒度、相變程度、元素分布等誘導(dǎo)的綜合效應(yīng)等[13－15]。然而,上述研究對(duì)超聲和硬度等方法的測(cè)試條件、使用環(huán)境有較高要求,魯棒性較差,難以滿足生產(chǎn)使用現(xiàn)場(chǎng)便捷、快速應(yīng)用的要求。筆者對(duì)比研究了不同熱處理狀態(tài)下奧氏體不銹鋼的里氏硬度、超聲信號(hào)特征和顯微組織之間的關(guān)系,建立了基于D－S證據(jù)理論的奧氏體不銹鋼熱劣化評(píng)價(jià)模型,為該類材料的現(xiàn)場(chǎng)材料監(jiān)督和評(píng)價(jià)提供了新的思路。

1. 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及其化學(xué)成分

試樣的材料為304奧氏體不銹鋼,試樣尺寸為70 mm×70 mm×20 mm(長度×寬度×高度),該材料在20 ℃時(shí)密度為7.93 g/cm3,常溫下的縱波聲速為5 700～5 800 m/s[16](縱波聲速與材料的密度、彈性模量、泊松比等有關(guān))。用原子發(fā)射光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007 《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》的要求。對(duì)A組試樣進(jìn)行固溶處理(1 050 ℃保溫30 min,然后空冷至室溫),對(duì)B組試樣進(jìn)行敏化處理(1 050 ℃保溫30 min,降溫至450 ℃并保溫2 h,然后空冷至室溫),C組試樣為未進(jìn)行任何處理的鑄態(tài)304不銹鋼,3組試樣宏觀形貌如圖1所示。

圖 13組試樣宏觀形貌

1.2 硬度測(cè)試方法

硬度測(cè)試儀器為高精度便攜式里氏硬度計(jì)(型號(hào)為PROCEQ EQUOTIP 550 Leeb),該硬度計(jì)可以快速測(cè)試金屬材料的表面硬度,依據(jù)GB/T 17394.1—2014 《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》分別對(duì)A、B和C這3組試樣進(jìn)行不少于6次的硬度測(cè)試,計(jì)算各組試樣硬度的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 超聲檢測(cè)方法

采用超聲波檢測(cè)儀和中心頻率為5 MHz、直徑為5 mm的單晶直探頭對(duì)試樣進(jìn)行超聲檢測(cè),超聲信號(hào)激發(fā)脈沖寬度為50 ns,信號(hào)采樣頻率為100 MHz；對(duì)試樣表面進(jìn)行機(jī)械打磨,得到平整的金屬光澤面,采用水作為耦合劑,探頭上放置金屬塊,以保持恒定的探頭壓緊力,信號(hào)增益均為15 dB,記錄超聲A掃信號(hào)的從初始波到不少于4次底面反射波的射頻波形數(shù)據(jù)。

1.4 金相檢驗(yàn)及掃描電鏡分析方法

將試樣機(jī)械打磨、拋光后,依據(jù)GB/T 4334—2020 《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體－奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》,用體積分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行電解腐蝕,然后將試樣置于光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡下觀察。

2. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相檢驗(yàn)及掃描電鏡(SEM)分析結(jié)果

A組固溶試樣的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：A組試樣材料為單一的奧氏體相,可以觀察到孿晶,晶界形態(tài)為Ⅰ類階梯組織,平均晶粒度約為5.0級(jí)。

圖 2A組固溶試樣的顯微組織形貌

B組敏化試樣的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：B組試樣材料為單一的奧氏體相,平均晶粒度約為4.5級(jí),晶界較粗大,呈網(wǎng)狀分布,有碳化物析出,晶界形態(tài)為II類混合組織。

圖 3B組敏化試樣的顯微組織形

對(duì)試樣B進(jìn)行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖4所示。分別對(duì)晶界及晶粒進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如表2所示,可看出敏化處理后的奧氏體晶界析出物富含Cr元素,這種富Cr化合物沿晶界沉淀,會(huì)導(dǎo)致正常晶界區(qū)域中Cr離子濃度的降低,形成“貧鉻區(qū)”,在腐蝕介質(zhì)的作用下,晶界區(qū)域優(yōu)先溶解而產(chǎn)生晶間腐蝕[17]。

圖 4試樣B晶界區(qū)域SEM形貌

C組鑄態(tài)試樣的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可知：C組試樣的顯微組織主要為奧氏體＋鐵素體,在奧氏體晶粒內(nèi)部和晶界上分布著骨骼狀鐵素體相,且部分呈網(wǎng)狀分布,晶界形態(tài)為四類游離鐵素體組織。

圖 5C組鑄態(tài)試樣的顯微組織形貌

2.2 里氏硬度測(cè)試

3組試樣里氏硬度的隨機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：測(cè)試次數(shù)較少時(shí),結(jié)果的重現(xiàn)性較差,當(dāng)測(cè)試次數(shù)大于10次時(shí),硬度平均值及標(biāo)準(zhǔn)差均趨于穩(wěn)定,重現(xiàn)性較好。在進(jìn)行16次硬度測(cè)試的條件下,3組試樣的硬度分別為374,382,325 HLD,標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.7,8.3,19.6 HLD,可看出B組試樣的硬度比A組試樣增大了2.1%,而硬度標(biāo)準(zhǔn)差卻是A組試樣的1.77倍,C組試樣的硬度比A組試樣降低了13.1%,而硬度標(biāo)準(zhǔn)差卻是C組試樣的4倍,硬度標(biāo)準(zhǔn)差的變化最明顯。這是因?yàn)椋涸诟邷孛艋^程中,晶粒的長大趨勢(shì)和晶界析出碳化物對(duì)晶界的釘扎效應(yīng)并存[18－19],兩種相互制衡效應(yīng)使B組敏化試樣的里氏硬度增大,但增大得不明顯；同時(shí)在熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的互相作用下,B組敏化試樣的組織及應(yīng)力分布均勻性被破壞,在宏觀上表現(xiàn)為硬度不均勻,標(biāo)準(zhǔn)差增大；C組鑄態(tài)試樣中存在大量的鐵素體且分布極不均勻,這種組織的極度不均勻性會(huì)導(dǎo)致其不同區(qū)域的力學(xué)性能不同,硬度標(biāo)準(zhǔn)差顯著增大。

圖 63組試樣里氏硬度的隨機(jī)測(cè)試結(jié)果

硬度標(biāo)準(zhǔn)差S反映了同一組奧氏體不銹鋼試樣內(nèi)硬度測(cè)量值的離散度,可以對(duì)其熱處理狀態(tài)進(jìn)行表征,但對(duì)于硬度基礎(chǔ)值或表面狀態(tài)不同的材料,直接采用硬度標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)引起誤判。為解決硬度平均值相差懸殊材料的硬度表征問題,引入硬度離散率指標(biāo)Vs,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差S進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,如式(1)所示。

式中：S為試樣的樣本標(biāo)準(zhǔn)差；為硬度平均值。

3組試樣的里氏硬度離散率曲線如圖7所示。由圖7可知：A、B、C組試樣的里氏硬度離散率平均值分別為1.3%,2.2%和6.3%,明顯表征了鑄態(tài)、固溶態(tài)、敏化態(tài)的材料狀態(tài)變化。

圖 73組試樣的里氏硬度離散率曲線

2.3 超聲檢測(cè)

3組試樣的超聲檢測(cè)A掃信號(hào)如圖8所示。由圖8可知：A、B組試樣回波信號(hào)經(jīng)過6次反射之后的底波信號(hào)已衰減到噪聲背底水平,利用前4次的底波反射信號(hào)可得到A、B組試樣的超聲衰減系數(shù)分別為230.77 dB/m和 254.98 dB/m,可看出敏化后試樣的縱波衰減系數(shù)會(huì)增大,這與文獻(xiàn)[6－7]的試驗(yàn)結(jié)果基本一致；C組試樣回波信號(hào)僅存在1次底面反射波,信號(hào)嚴(yán)重衰減,這是因?yàn)榇执蟮膴W氏體晶粒和鐵素體枝晶對(duì)超聲波的嚴(yán)重衰減效應(yīng),根據(jù)這個(gè)特性,可以對(duì)鑄態(tài)不銹鋼進(jìn)行鑒別。

圖 83組試樣的超聲檢測(cè)A掃信號(hào)

考慮到在實(shí)際應(yīng)用中試樣的表面粗糙度、探頭的耦合情況以及試樣厚度等誤差因素,以及奧氏體基礎(chǔ)晶粒尺度的影響,利用超聲回波信號(hào)的時(shí)域信息或超聲衰減系數(shù)較難區(qū)分正常固溶處理的試樣和敏化試樣[20]。對(duì)A組試樣的回波信號(hào)進(jìn)行傅里葉頻譜分析,結(jié)果如圖9a)所示,頻譜整體上主要集中在1,3,5,7 MHz附近,且3 MHz附近的頻譜寬度最大,局部呈周期性的振蕩現(xiàn)象。為了消除初始波信號(hào)的影響,對(duì)信號(hào)初始段5μs時(shí)的回波信號(hào)進(jìn)行剝離,結(jié)果如圖9b)所示,可看出剝離后的頻譜寬度在1 MHz附近有所減小,而在其他位置基本保持不變。

圖 9A組試樣的超聲回波信號(hào)傅里葉頻譜分布

圖10為B、C組試樣的超聲回波信號(hào)傅里葉頻譜分布。由圖10可知：兩個(gè)回波信號(hào)都已進(jìn)行了初始波剝離,B組試樣與A組試樣的基本頻譜波形相似,頻譜最大幅值也相近,但5 MHz和7 MHz等較高頻譜段的頻譜分布差異明顯；鑄態(tài)C組試樣的頻譜沒有明顯的波峰集中,且頻譜最大幅值較小,反映了粗大晶粒對(duì)入射超聲波的強(qiáng)烈散射作用。

圖 10B組和C組試樣的超聲回波信號(hào)傅里葉頻譜分布

在頻率為0～8 MHz時(shí),根據(jù)式(2)分別計(jì)算每1 MHz頻譜段內(nèi)的能量分布。

式中：F為傅里葉頻譜幅值；sum(F2)為0～8 MHz的頻譜能量之和；Yi為第i個(gè)頻譜段的頻譜能量占比率,i＝1,2,3,4,5,6,7,8。

0～8 MHz頻譜段能量分布如圖11所示。由圖11可知：當(dāng)頻率為0～1 MHz時(shí),3組試樣的能量占比分別為1.6%,1.0%和7.6%,C組試樣的能量占比最高；當(dāng)頻率為2～3 MHz時(shí),3組試樣的能量占比分別為40.9%,49.3%和42.1%,占比分別達(dá)到各自的最大值,其中B組試樣的能量占比最高,但其標(biāo)準(zhǔn)差也最大；當(dāng)頻率為6～7 MHz時(shí),3組試樣的能量占比分別為1.3%,0.7%和0.9%,固溶態(tài)A組試樣的能量占比最高。

圖 110～8 MHz頻譜段能量分布

采用頻譜能量下降比指標(biāo)DYi＝max(Y)/Yi表示第i頻譜段能量相對(duì)于最高頻譜段能量的下降比,0～8 MHz頻譜能量下降比如圖12所示。由圖12可知：當(dāng)頻率為0～1 MHz時(shí),3組試樣的DY1指標(biāo)分別為25.6,49.3,5.5,可明顯區(qū)分出試樣C；當(dāng)頻率為6～7 MHz時(shí),DY7指標(biāo)分別為31.5,70.4,46.8,可區(qū)分出試樣B。

圖 120～8 MHz頻譜能量下降比

通過上述分析,可以發(fā)現(xiàn)超聲回波信號(hào)的時(shí)域特征和頻域特征都可以用來表征奧氏體不銹鋼的材料狀況,但表征的靈敏度和側(cè)重點(diǎn)不同。超聲信號(hào)的波幅信息對(duì)晶粒尺寸比較敏感,且易受試樣表面粗糙度、探頭耦合情況、工件厚度誤差等因素的影響；超聲信號(hào)的頻譜能量呈多峰分布,而且最大峰值在3 MHz附近,低于探頭的中心頻率5 MHz；與正常固溶態(tài)試樣A相比,鑄造態(tài)試樣C的超聲低頻段能量占比增大,有整體向低頻段偏移的趨勢(shì),與指標(biāo)DY1密切相關(guān),而敏化態(tài)試樣B的高頻段能量占比降低,與指標(biāo)DY7密切相關(guān)。結(jié)合前文的金相檢驗(yàn)、SEM和能譜分析結(jié)果可知,上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是粗大晶粒和晶界析出物對(duì)信號(hào)中高頻分量的抑制。

3. D－S證據(jù)理論信息融合

里氏硬度測(cè)試結(jié)果和超聲檢測(cè)結(jié)果分別從不同方面反映了奧氏體不銹鋼的材料狀況,但都存在一定的局限性,甚至在某些情況下存在信息沖突。D－S證據(jù)理論是一種多信息融合及決策的方法,能有效解決信息缺失和不準(zhǔn)確性引起的不確定性,一般由辨識(shí)框架、基本概率分配、合成規(guī)則等組成[21]。辨識(shí)框架為不確定性事件A的所有可能性集合,記作Θ＝{A1,A2,…,AN},基本概率分配函數(shù)m(A)如式(3)所示。

式中：mj(Ai)為證據(jù)體mj對(duì)事件Ai的支持度；N為不確定性事件A的個(gè)數(shù)；m(∅)為證據(jù)體m對(duì)空集∅的支持度。

D－S證據(jù)理論的核心策略是采用Dempster規(guī)則對(duì)事件Ai的M個(gè)獨(dú)立證據(jù)體m的基本概率分配進(jìn)行組合,如式(4)所示[22－23]。

式(4)中K為證據(jù)沖突因子,計(jì)算公式如式(5)所示。

根據(jù)是否需要對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn),把奧氏體不銹鋼劃分為材料合格A1和材料復(fù)驗(yàn)A2(包括敏化和晶粒異常粗大)兩種狀態(tài)事件,則識(shí)別框架Θ＝{A1,A2}。證據(jù)體m＝{m1,m2,m3}, 分別對(duì)應(yīng)硬度離散率Vs、低頻譜能量下降比指標(biāo)DY1、高頻譜能量下降比指標(biāo)DY7,根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果構(gòu)造基本概率分配函數(shù),如式(6)～(8)所示。

式(6)中的Vs與A1呈負(fù)相關(guān),閾值α1、β1分別取值為0.015,0.06；式(7)中DY1與A2呈正相關(guān),如前文所述DY1對(duì)晶粒粗大類材料劣化反應(yīng)靈敏,閾值α2取值為25；式(8)中DY7與A2呈負(fù)相關(guān),閾值α3取值為30。

根據(jù)式(4)計(jì)算A1的融合概率為

M(A1)代表了Vs、DY1、DY7指標(biāo)的融合結(jié)果,考慮到評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度、可信度以及復(fù)驗(yàn)成本,將M(A1)的閾值設(shè)置為0.85,即當(dāng)M(A1)不小于0.85時(shí),材料的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為合格,當(dāng)M(A1)小于0.85時(shí),材料需要通過金相檢驗(yàn)等方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。10個(gè)試樣的D－S證據(jù)理論融合模型評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示,其中試樣1～3為鑄態(tài)樣,試樣4～6為敏化樣,試樣7～10為固溶樣,可以看出單一指標(biāo)證據(jù)在某些試樣上置信度不高,甚至相互沖突,經(jīng)融合后評(píng)價(jià)結(jié)果的置信度得到提高,融合評(píng)價(jià)結(jié)果的正確率為100%。

4　結(jié)論

(1) 里氏硬度離散率與奧氏體不銹鋼材料的熱處理狀態(tài)高度相關(guān),正常固溶態(tài)材料的里氏硬度離散率小于1.5%,而當(dāng)材料存在敏化或鑄態(tài)組織時(shí),硬度離散率會(huì)顯著增大。

(2) 奧氏體不銹鋼超聲回波信號(hào)的頻譜呈多峰分布,與正常固溶態(tài)材料相比,鑄態(tài)材料超聲回波信號(hào)的低頻譜段能量占比增大,敏化態(tài)材料的高頻譜段能量占比降低。

(3) 采用D－S證據(jù)理論對(duì)硬度離散率、超聲回波信號(hào)的低頻譜能量下降比和高頻譜能量下降比等3個(gè)特征指標(biāo)進(jìn)行融合,融合指標(biāo)可有效降低單一指標(biāo)在材料評(píng)價(jià)上的不確定性,解決指標(biāo)之間的相互沖突問題,顯著提高奧氏體不銹鋼材料快速評(píng)價(jià)結(jié)果的置信度。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)