球墨鑄鐵與灰口鑄鐵的超聲檢測(cè)

球墨鑄鐵與灰口鑄鐵的超聲檢測(cè)

為了快速準(zhǔn)確識(shí)別旋轉(zhuǎn)墨水合物和灰口鑄造材料的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法，作者對(duì)硬度檢驗(yàn)法、色澤分析法、錘擊法和現(xiàn)場(chǎng)金相學(xué)檢驗(yàn)法進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和比較。試驗(yàn)結(jié)果表明:這些方法都不能準(zhǔn)確和快捷地進(jìn)行球墨鑄鐵件與灰口鑄鐵件的現(xiàn)場(chǎng)鑒別。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和驗(yàn)證,利用超聲波在球墨鑄鐵和灰口鑄鐵中傳播和衰減的差異,可以有效地解決上述球墨鑄鐵與灰口鑄鐵件的現(xiàn)場(chǎng)鑒別問題,且該方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確和快捷。1材料的化學(xué)成分采用數(shù)字式超聲波探傷儀?？v波單晶直探頭,頻率2.5MHz和5MHz。斜探頭,頻率2.5MHz,K=2.53;頻率5MHz,K=2.50。用同一爐鐵液、同一鑄造工藝制作球墨鑄鐵和灰口鑄鐵試樣,并用工業(yè)漿糊作耦合劑。球墨鑄鐵試樣的化學(xué)成分為:w(C)3.45%,w(Si)2.55%,w(Mn)0.25%,w(P)0.035%,w(S)0.014%,w(RE)0.039%,w(Mg)0.040%;灰口鑄鐵試樣的化學(xué)成分為:w(C)3.43%,w(Si)2.30%,w(Mn)0.30%,w(P)0.038%,w(S)0.030%。球墨鑄鐵和灰口鑄鐵試樣的金相組織見圖1。2方法和結(jié)果2.1超聲衰減測(cè)定(1)2.5MHz和5MHz縱波垂直入射厚度為19.35mm板的情況:2.5MHz和5MHz縱波垂直入射時(shí),超聲波聲程均明顯大于板厚,試驗(yàn)條件下每次底回波的衰減為60%,且5MHz比2.5MHz的超聲衰減明顯增大(如圖2)。(2)2.5MHz和5MHz縱波垂直入射厚度為38mm板的情況:2.5MHz超聲衰減比板厚為19.35mm時(shí)大大增加,且聲程遠(yuǎn)大于板厚;5MHz超聲衰減至基本無底回波(如圖3)。(3)2.5MHz和5MHz縱波垂直入射厚度為95.00mm板的情況:2.5MHz和5MHz縱波垂直入射均無底回波。(4)2.5MHz橫波斜入射厚度為13mm板的情況:當(dāng)使斜探頭波束中心與試板邊緣距離保持為30mm不變時(shí),平行移動(dòng)探頭位置,會(huì)顯示出不同的聲程,最大聲程為53mm。但所有聲程都遠(yuǎn)大于同等情況下超聲波在共析鋼和球墨鑄鐵中的聲程(如圖4)。2.2墨4.2底回波的衰減采用2.5MHz和5MHz縱波垂直入射20mm、86mm和158mm等厚度的球墨鑄鐵試板,結(jié)果底回波幅度很大,且聲程與試樣實(shí)際尺寸相符。與19.35mm厚度的灰口鑄鐵試板不同,同一頻率條件下,超聲波在20mm厚球墨鑄鐵試板中的多次底回波衰減十分微小。圖5顯示了2.5MHz縱波垂直入射86mm厚球墨鑄鐵板產(chǎn)生的底回波情況。3球墨鑄鐵與灰口鑄件的超聲衰減上述試驗(yàn)表明,超聲波在球墨鑄鐵與灰口鑄鐵中的衰減存在很大差異。由于試驗(yàn)采用了相同化學(xué)成分(殘余稀土和鎂除外)、相同鑄造工藝、相同尺寸的球墨鑄鐵和灰口鑄鐵試樣,兩者的基體組織也基本相同,因此,有理由認(rèn)為,這種超聲衰減的差異性主要決定于球墨鑄鐵與灰口鑄鐵中石墨的結(jié)晶構(gòu)造,以及其石墨組織的形態(tài)、分布和大小的差異。3.1石墨晶體的結(jié)合能片狀石墨和球狀石墨都具有相同的結(jié)晶構(gòu)造:石墨晶體中碳原子通過sp2雜化軌道以共價(jià)σ鍵與鄰近的三個(gè)碳原子連接并排列成六角平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又聯(lián)成互相平行的平面(基面),即六方層狀晶格石墨結(jié)構(gòu)(如圖6)。碳原子之間的距離在層內(nèi)與層間有很大差別:層內(nèi)由于極強(qiáng)的共價(jià)鍵形成六角形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),碳原子之間的距離較小(1.415),碳原子間的結(jié)合能(293~335kJ/mol)比金剛石(234kJ/mol)還要大;而層間的碳原子不是化學(xué)鍵結(jié)合,只是以極弱的范德華力結(jié)合,層間碳原子之間的距離很大(3.35),結(jié)合能很弱(16kJ/mol)。由于石墨結(jié)構(gòu)中層內(nèi)與層間結(jié)合能的差異(相差約20倍),使得石墨結(jié)晶在平行于基面的方向和垂直于基面的方向(c軸方向)存在顯著的各向異性,并使石墨晶體層間的抗剪能力很弱,容易發(fā)生滑移。因而造成在石墨晶體的層間產(chǎn)生很大的超聲衰減,尤其以水平剪切波(SH波)衰減最大?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也表明:2.5MHz縱波垂直入射石墨電極片中,即使厚度較小也不產(chǎn)生底回波。然而,由于灰口鑄鐵中片狀石墨的晶體各層都與石墨/基體相界面平行;而球墨鑄鐵中球狀石墨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為以石墨球心為原點(diǎn)、c軸呈放射狀的多晶體,組成球狀石墨的每個(gè)錐尖指向球心的細(xì)小石墨錐體的表面均為石墨晶體的基面,整個(gè)球狀石墨由結(jié)合能很大(因而剛性很大)的基面所包圍,因而,使得超聲波遇到片狀石墨并折射進(jìn)入石墨晶體時(shí),會(huì)在石墨中產(chǎn)生上述層間滑移變形和衰減;而即使超聲波折射進(jìn)入球狀石墨的放射狀多晶體時(shí),由于各細(xì)小錐形石墨晶體的層間晶面指數(shù)的不一致性和石墨小球形狀和結(jié)構(gòu)的剛性,不會(huì)產(chǎn)生大的超聲衰減。3.2超聲波與深傳播的關(guān)系在球墨鑄鐵中,球狀石墨孤立地分布在基體中,基體是連續(xù)的,超聲波在基體中的傳播是連續(xù)的,因而衰減小。而在灰口鑄鐵中,片狀石墨不但尺寸長(zhǎng),而且分叉和相交,對(duì)基體起割裂作用,導(dǎo)致超聲波在基體中的不連續(xù)傳播和較大的超聲衰減。3.3超聲波在石墨/樣品中的傳播通過對(duì)共析鋼、球墨鑄鐵和灰口鑄鐵基體的測(cè)試對(duì)比,超聲波在所測(cè)試鑄鐵試樣基體中的聲速為4565m/s,波長(zhǎng)(λ=c/f)在2.5MHz時(shí)為1.8mm/周,5MHz時(shí)為0.9mm/周。球墨鑄鐵中石墨球?yàn)棣?.05~0.10mm,超聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于石墨球徑,超聲波在孤立的石墨球周圍將主要產(chǎn)生衍射,超聲衰減很小。灰口鑄鐵中片狀石墨的線尺寸遠(yuǎn)大于球墨鑄鐵中石墨球直徑,試驗(yàn)采用的灰口鑄鐵試樣中的石墨長(zhǎng)度為0.12~0.25mm,遠(yuǎn)大于超聲波波長(zhǎng),當(dāng)超聲波遇到片狀石墨時(shí),將在石墨/基體相界面主要產(chǎn)生反射、折射以及波型轉(zhuǎn)換。當(dāng)縱波(或橫波)從灰口鑄鐵基體斜入射到石墨/基體相界面時(shí),將在基體中產(chǎn)生縱波反射和橫波反射,同時(shí)在片狀石墨中產(chǎn)生縱波折射和橫波折射。反射縱波和橫波繼而在下一個(gè)石墨/基體相界面又產(chǎn)生縱波和橫波反射、縱波和橫波折射。由于石墨片彎曲、分叉和雜亂無章,不但使得各種錯(cuò)綜復(fù)雜的波相互干涉,而且還使聲程大大增加,進(jìn)而增加了聲波衰減。石墨片越粗大、分布越雜亂,聲波干涉和聲程增加也越大,因而聲波衰減也就越大。當(dāng)縱波(或橫波)從灰口鑄鐵的片狀石墨斜入射到石墨/基體相界面時(shí),在片狀石墨中產(chǎn)生縱波和橫波反射,同時(shí)在基體中產(chǎn)生縱波和橫波折射;并且由于超聲波在石墨中的傳遞速度遠(yuǎn)小于在基體中的傳遞速度,根據(jù)Snell定律,發(fā)生入射角大于或等于第一和第二臨界角的幾率大大增加,因而部分超聲波又將返回石墨中或在石墨/基體相界面?zhèn)鞑?。超聲波在片狀石墨?nèi)及其石墨/基體相界面?zhèn)鞑ゾ嚯x的增加,又會(huì)增加超聲波的衰減。當(dāng)橫波在石墨/基體相界面發(fā)生橫波到縱波的反射模式轉(zhuǎn)換時(shí),由于同一介質(zhì)中橫波速度遠(yuǎn)小于縱波速度,并因石墨分布雜亂,入射角大于或等于第三角臨界角的幾率增加,因而反射縱波成為沿石墨/基體相界面的不均勻波的幾率也增加,進(jìn)而導(dǎo)致超聲波的衰減也會(huì)增加。3.4超聲衰減大的原因眾所周知,波長(zhǎng)越小,聲衰減越大。因此,當(dāng)工件尺寸小,或片狀石墨長(zhǎng)度較小時(shí),在考慮球墨鑄鐵中石墨球大小的基礎(chǔ)上,采用波長(zhǎng)較小的超聲波檢測(cè)鑒別更為妥當(dāng)。綜上所述,灰口鑄鐵中錯(cuò)綜復(fù)雜的波的相互干涉、聲程增加、石墨晶體構(gòu)造的特征、波的散射(反射、折射和衍射)、波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的石墨片內(nèi)和相界面的反復(fù)傳播以及基體不連續(xù)形成的聲衰減等,都是導(dǎo)致灰口鑄鐵超聲衰減大的根本原因。有文獻(xiàn)認(rèn)為,超聲波在灰口鑄鐵中的傳播速度比球墨鑄鐵小許多。從上述試驗(yàn)和理論分析來看,完整地描述超聲波在灰口鑄鐵中的聲速,必須考慮片狀石墨的形狀、大小和分布等組織因素,不同的金相組織將使聲速產(chǎn)生較大差異。聲程的大幅增加、基體的不連續(xù)等都是影響聲速大小的基本因素。還有文獻(xiàn)認(rèn)為,造成灰口鑄鐵超聲衰減的原因主要是晶粒粗大。上述試驗(yàn)表明,經(jīng)過等溫淬火的灰口鑄鐵試樣,其基體已經(jīng)獲得較細(xì)的下貝氏體組織,但仍然產(chǎn)生很大的超聲衰減。因此,在通常采用的波長(zhǎng)范圍內(nèi),產(chǎn)生超聲衰減的主要原因應(yīng)當(dāng)是石墨晶體的構(gòu)造、石墨組織的形狀、分布和大小,以及由此引起的聲波散射、干涉等聲學(xué)現(xiàn)象。4超聲波衰減法在出口車生產(chǎn)過程中,由于出現(xiàn)部分貝氏體灰口鑄鐵斜楔混入貝氏體球墨鑄鐵(ADI)斜楔中的意外情況,致使部分灰鐵斜楔混裝出廠。雖然這些零件全部經(jīng)過等溫淬火,但灰口鑄鐵斜楔的脆性仍很大。為了防止灰鐵斜楔在服役過程中發(fā)生脆性斷裂而發(fā)生行車安全事故,必須用貝氏體球鐵斜楔更換灰鐵斜楔,同時(shí),為了避免大批車輛全部進(jìn)行分解拆換,必須將灰鐵斜楔從剛剛投入使用的車輛上快速識(shí)別出來,實(shí)行有目的的分解拆換。通過應(yīng)用超聲波衰減法,能迅速而準(zhǔn)確地從剛剛裝車的近1000輛出口整車上鑒別出所有灰鐵斜楔,避免了大批車輛全部進(jìn)行分解拆換的大工作量,實(shí)現(xiàn)了采用金相鑒別、硬度鑒別等方法無法達(dá)到的現(xiàn)車鑒別和快速鑒別的目的。從而避免了車輛生產(chǎn)方和運(yùn)用方巨大的經(jīng)濟(jì)損失,也避免了生產(chǎn)方的聲譽(yù)和市場(chǎng)損失。從上述分析和應(yīng)用來看,超聲衰減法鑒別灰口鑄鐵與球墨鑄鐵,進(jìn)而推廣到鑒別灰口鑄鐵與其它細(xì)晶粒鋼鐵材料、粗晶粒材料與細(xì)晶粒材料等的檢測(cè)方法是一種通用的材料鑒別方法。5超聲衰減法主要特點(diǎn)(1)用超聲衰減法鑒別球墨鑄鐵和灰口鑄鐵的方法是可行的。(2)用超聲衰減法不但可以鑒別單個(gè)零件,還可以十分方便地鑒別已經(jīng)組裝的零件。相對(duì)金相鑒別法而言,超聲鑒別法不但大大減少了鑒別難度,而且無需截取金相試樣而破壞鑄件本體,還可以在不分解部件和整機(jī)的條件下,或在現(xiàn)場(chǎng)金相儀無法檢查的彎曲和較小空間條件下,進(jìn)行準(zhǔn)確而方便的鑒別,甚至可能在零件靜止服役條件下,實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢查鑒別。(3)