球墨鑄鐵與灰口鑄鐵的超聲檢測

球墨鑄鐵與灰口鑄鐵的超聲檢測

為了快速準確識別旋轉墨水合物和灰口鑄造材料的現場檢驗方法，作者對硬度檢驗法、色澤分析法、錘擊法和現場金相學檢驗法進行了大量的實驗和比較。試驗結果表明:這些方法都不能準確和快捷地進行球墨鑄鐵件與灰口鑄鐵件的現場鑒別。經過現場應用和驗證,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場鑒別問題,且該方法簡便、準確和快捷。1材料的化學成分采用數字式超聲波探傷儀?？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方法和結果2.1超聲衰減測定(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,超聲波聲程均明顯大于板厚,試驗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時大大增加,且聲程遠大于板厚;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:當使斜探頭波束中心與試板邊緣距離保持為30mm不變時,平行移動探頭位置,會顯示出不同的聲程,最大聲程為53mm。但所有聲程都遠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,結果底回波幅度很大,且聲程與試樣實際尺寸相符。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。由于試驗采用了相同化學成分(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晶構造,以及其石墨組織的形態(tài)、分布和大小的差異。3.1石墨晶體的結合能片狀石墨和球狀石墨都具有相同的結晶構造:石墨晶體中碳原子通過sp2雜化軌道以共價σ鍵與鄰近的三個碳原子連接并排列成六角平面的網狀結構,這些網狀結構又聯成互相平行的平面(基面),即六方層狀晶格石墨結構(如圖6)。碳原子之間的距離在層內與層間有很大差別:層內由于極強的共價鍵形成六角形網狀結構,碳原子之間的距離較小(1.415),碳原子間的結合能(293~335kJ/mol)比金剛石(234kJ/mol)還要大;而層間的碳原子不是化學鍵結合,只是以極弱的范德華力結合,層間碳原子之間的距離很大(3.35),結合能很弱(16kJ/mol)。由于石墨結構中層內與層間結合能的差異(相差約20倍),使得石墨結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生很大的超聲衰減,尤其以水平剪切波(SH波)衰減最大。現場試驗也表明: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部結構為以石墨球心為原點、c軸呈放射狀的多晶體,組成球狀石墨的每個錐尖指向球心的細小石墨錐體的表面均為石墨晶體的基面,整個球狀石墨由結合能很大(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入石墨晶體時,會在石墨中產生上述層間滑移變形和衰減;而即使超聲波折射進入球狀石墨的放射狀多晶體時,由于各細小錐形石墨晶體的層間晶面指數的不一致性和石墨小球形狀和結構的剛性,不會產生大的超聲衰減。3.2超聲波與深傳播的關系在球墨鑄鐵中,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,而且分叉和相交,對基體起割裂作用,導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共析鋼、球墨鑄鐵和灰口鑄鐵基體的測試對比,超聲波在所測試鑄鐵試樣基體中的聲速為4565m/s,波長(λ=c/f)在2.5MHz時為1.8mm/周,5MHz時為0.9mm/周。球墨鑄鐵中石墨球為φ0.05~0.10mm,超聲波的波長遠大于石墨球徑,超聲波在孤立的石墨球周圍將主要產生衍射,超聲衰減很小。灰口鑄鐵中片狀石墨的線尺寸遠大于球墨鑄鐵中石墨球直徑,試驗采用的灰口鑄鐵試樣中的石墨長度為0.12~0.25mm,遠大于超聲波波長,當超聲波遇到片狀石墨時,將在石墨/基體相界面主要產生反射、折射以及波型轉換。當縱波(或橫波)從灰口鑄鐵基體斜入射到石墨/基體相界面時,將在基體中產生縱波反射和橫波反射,同時在片狀石墨中產生縱波折射和橫波折射。反射縱波和橫波繼而在下一個石墨/基體相界面又產生縱波和橫波反射、縱波和橫波折射。由于石墨片彎曲、分叉和雜亂無章,不但使得各種錯綜復雜的波相互干涉,而且還使聲程大大增加,進而增加了聲波衰減。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,在片狀石墨中產生縱波和橫波反射,同時在基體中產生縱波和橫波折射;并且由于超聲波在石墨中的傳遞速度遠小于在基體中的傳遞速度,根據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)鞑ァ３暡ㄔ谄瑺钍珒燃捌涫?基體相界面?zhèn)鞑ゾ嚯x的增加,又會增加超聲波的衰減。當橫波在石墨/基體相界面發(fā)生橫波到縱波的反射模式轉換時,由于同一介質中橫波速度遠小于縱波速度,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,進而導致超聲波的衰減也會增加。3.4超聲衰減大的原因眾所周知,波長越小,聲衰減越大。因此,當工件尺寸小,或片狀石墨長度較小時,在考慮球墨鑄鐵中石墨球大小的基礎上,采用波長較小的超聲波檢測鑒別更為妥當。綜上所述,灰口鑄鐵中錯綜復雜的波的相互干涉、聲程增加、石墨晶體構造的特征、波的散射(反射、折射和衍射)、波型轉換產生的石墨片內和相界面的反復傳播以及基體不連續(xù)形成的聲衰減等,都是導致灰口鑄鐵超聲衰減大的根本原因。有文獻認為,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。還有文獻認為,造成灰口鑄鐵超聲衰減的原因主要是晶粒粗大。上述試驗表明,經過等溫淬火的灰口鑄鐵試樣,其基體已經獲得較細的下貝氏體組織,但仍然產生很大的超聲衰減。因此,在通常采用的波長范圍內,產生超聲衰減的主要原因應當是石墨晶體的構造、石墨組織的形狀、分布和大小,以及由此引起的聲波散射、干涉等聲學現象。4超聲波衰減法在出口車生產過程中,由于出現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,為了避免大批車輛全部進行分解拆換,必須將灰鐵斜楔從剛剛投入使用的車輛上快速識別出來,實行有目的的分解拆換。通過應用超聲波衰減法,能迅速而準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行分解拆換的大工作量,實現了采用金相鑒別、硬度鑒別等方法無法達到的現車鑒別和快速鑒別的目的。從而避免了車輛生產方和運用方巨大的經濟損失,也避免了生產方的聲譽和市場損失。從上述分析和應用來看,超聲衰減法鑒別灰口鑄鐵與球墨鑄鐵,進而推廣到鑒別灰口鑄鐵與其它細晶粒鋼鐵材料、粗晶粒材料與細晶粒材料等的檢測方法是一種通用的材料鑒別方法。5超聲衰減法主要特點(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零件,還可以十分方便地鑒別已經組裝的零件。相對金相鑒別法而言,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的條件下,或在現場金相儀無法檢查的彎曲和較小空間條件下,進行準確而方便的鑒別,甚至可能在零件靜止服役條件下,實現不停機檢查鑒別。(3)