1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不锈钢磁粉检测疑似裂纹原因分析

曹 强，黄晓望，汪 盛

(中国人民解放军第5720工厂，安徽 芜湖 241007)

0 引言

1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不锈钢作为铁磁性材料，具有较高的强度、耐蚀性、抗氧化性和可焊性等优点，常用于产品紧固件制造［1－2］。在对沉淀硬化不锈钢磁粉检测时，时常会出现非缺陷的干扰磁痕，干扰磁痕形貌呈直线状。干扰磁痕的出现使得磁痕显示的性质难以判断，对无损检测的正确评价造成严重影响［3－4］。本研究通过对使用1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不锈钢制造的螺栓进行磁粉检测试验，总结磁粉检测中疑似裂纹的磁痕显示规律，并通过观察材料微观组织分析以确定其产生原因，为该类材料零件磁粉检测结果的正确评价提供依据［5－7］。

螺栓材料为1Cr15Ni4Mo3N不锈钢，螺栓图样见图1。螺栓的热处理状态为淬火+时效，抗拉强度 σb为1350～1570 MPa。主要加工工序为:棒料车→铣半精加工→热处理→磁粉检测→精加工→表面处理。

螺栓半成品经热处理后的磁粉检测工艺规定:磁粉检测采用湿连续法，磁悬液采用荧光磁悬液，磁化电源为交流电，直接通电法，周向磁化电流。由于该材料属沉淀硬化不锈钢，磁导率较低，为检测夹杂等非开口型缺陷，根据GJB 2028A—2007《磁粉检测》磁化规范有关规定，通电法周向磁化电流按式(1)计算。

式中:D为通电制件直径，mm。试验中选用I=28D计算磁化电流，即I=28×17≈480 A。

图1 螺栓图样Fig.1 Bolt pattern

依据上述磁化规范对螺栓半成品进行磁化后，将试样置于紫外灯下观察，发现螺栓表面沿轴向存在一条长约30mm的直线状磁痕显示(图2)。将磁痕擦拭后再次施加荧光磁悬液检查，发现磁痕再次出现。

图2 疑似裂纹磁痕显示Fig.2 Appearance of suspected crack by magnetic particle testing

根据资料显示，连续法可能会产生与材料的合金偏析或碳化物条带有关的假显示，而不是非金属夹杂物产生相关磁痕。为进一步了解该疑似裂纹磁痕显示的分类，于是采用剩磁法对材料再次进行磁粉检测。根据GJB 2028A—2007，直接通电法剩磁法磁化规范按式(2)计算:

试验中选用I=32D计算磁化电流，即I=32D=32×17≈550 A。按此磁化规范对螺栓半成品再一次进行磁化，后置于紫外灯下观察，仍然有磁痕显示。磁痕显示的长度和亮度与连续法检查时基本未发生变化。为验证是否为表面开口缺陷又辅以荧光渗透法进行了检测，在紫外光下观察，螺栓表面没有发现任何异常荧光显示，说明磁粉检测时所发现的磁痕不是材料表面开口缺陷所导致的。

根据磁痕显示分类以及上述情况分析，初步排除材料磁粉检测中所发现磁痕为假显示的可能性。

1 试验过程与结果

1.1 疑似裂纹外观检查

为进一步分析疑似裂纹长度和深度，试验对该螺栓按一定磨削量进行逐次磨削，在每次磨削都进行磁粉检测，观察疑似裂纹磁痕显示长度的变化情况。

1)按图3补加工磨削螺栓(图3中I部分)，磨削深度0.05mm，然后进行磁粉检测，若有疑似裂纹继续磨削(深度0.05mm)，后再进行磁粉检测，如此往复多次后未发现疑似裂纹。

图3 螺栓半成品补加工图Fig.3 Semi－manufactured bolt for supplement processing

经过5次磨削，螺栓8mm长度范围内外圆直径从7.28mm磨削至6.77mm。前4次磨削后磁粉检测所产生的磁痕逐次缩短，在第5次磨削后的磁粉检测当中磁痕彻底消失。

2)按图3沿A处螺栓轴线的法向平面将螺栓切断，将试样Ⅱ部分上的切口平面磨平，然后进行直接通电法湿连续法磁粉检测，磁化电流仍为480 A，在试样Ⅱ部分的横端面距外圆面约1mm处可观察到一条长约2mm的磁痕显示(图4)。

图4 螺栓切断截面磁痕显示Fig.4 Magnetic mark display of the bolt cut－section

1.2 断口观察

在扫描电镜下对螺纹、圆弧槽及凸台圆柱面进行微观观察，在有磁痕显示处的螺纹牙底、圆弧槽及凸台圆柱面均未观察到裂纹或其它明显异常现象(图5)。

图5 螺纹牙底磁痕显示处扫描电镜观察结果Fig.5 SEM image of thread root with magnetic mark display

1.3 金相检验

在试样Ⅰ部分的3个位置(A、B、C)和试样Ⅱ的打开端(D)位置截取试样(图6)。

A位置截面金相组织为马氏体，并可见分散均匀的残余奥氏体(图7);B和C位置组织相似，均为马氏体组织，在靠近边缘处可见条状白亮带状的残余奥氏体组织，其白亮带状存在位置与磁痕显示的位置一致(图8、图9);D位置金相观察为马氏体组织，距离边缘1.2mm处可见条状残余奥氏体组织，其存在位置与磁痕显示的位置一致(图10)。

从4个位置上残余奥氏体分布可以看出，其形态呈长条状，在轴向上是连续的，且对应磁粉检测中的疑似磁痕显示位置。

1.4 硬度检测

对D位置金相试样上的白亮带和基体进行硬度测量，基体和白亮带处的维氏硬度的平均值分别为HV 467.1和 HV 322.0，换算成抗拉强度后，基体强度为1589 MPa，略高于材料要求(1350～1570 MPa)，白亮带处强度较低，仅为1056 MPa。具体测量结果见表1。

图6 金相截取位置Fig.6 Location for metallographical examination samples

图7 A位置组织观察结果Fig.7 Microstructure of position A

图8 B位置组织观察结果Fig.8 Microstructure of position B

图9 C位置组织观察结果Fig.9 Microstructure of position C

图10 D位置组织观察结果Fig.10 Microstructure of position D

表1 D位置维氏硬度测量结果Table 1 Vickers hardness of position D

2 分析与讨论

2.1 疑似裂纹磁痕显示性质分析与讨论

在扫描电镜下观察试样Ⅰ部分磁痕显示位置的表面，未发现裂纹形貌，且在圆弧槽及螺纹2个位置的金相组织也均未观察到裂纹，由此可见检测中的所产生磁痕显示不是由于裂纹引起的;在试样Ⅰ部分圆弧槽、螺纹和试样Ⅱ部分打开端的金相组织均可见条状白亮带组织，且白亮带与磁痕显示位置相对应，而试样Ⅰ部分无磁痕显示的位置无条状白亮带。在磨削过程中当靠近表层的白亮带被磨去之后，磁粉检测时再无磁痕显示。因此，磁痕显示是由于条状白亮带组织引起的。

2.2 疑似裂纹磁痕显示原因分析

观察材料金相组织，材料组织主要为马氏体，金相中观察到的条状白亮带为残余奥氏体。由于奥氏体为立方面心晶格，为非铁磁性材料，而马氏体为体心立方晶格，是铁磁性物质，且为硬磁性物质。当铁磁性材料被磁化时，如果材料表面存在某些缺陷或组织差异，这些缺陷或组织差异将破坏材料磁性的连续性，形成磁极，使磁场不能连续存在的这些缺陷或组织差异部位产生漏磁场，引起磁粉吸附，形成磁痕［8］。由于材料当中存在呈带状分布的残余奥氏体，破坏了基体组织和材料磁场的连续性，因此磁粉检测时产生了如图4所示的磁痕显示，D位置带状残余奥氏体组织与表面距离较远，而磁粉检测只能检测表面与近表面的缺陷，所以在检测中D位置在表面未形成磁痕显示特征。

2.3 影响分析

1Cr15Ni4Mo3N钢淬火加冷处理，奥氏体会向马氏体转变，由于向马氏体相变时，体积增大造成压应力增大，使得冷处理后，基体内仍有残余奥氏体，少量残余奥氏体均匀分布在马氏体组织中，对材料的力学性能影响不大。测量基体维氏硬度为HV 467.1，换算成抗拉强度为 1589 MPa，略高于标准值;呈带状分布的残余奥氏体硬度为 HV 322.0，换算成抗拉强度为1056 MPa，低于基体的强度。可见当残余奥氏体偏聚在一起时，会破坏材料的连续性，同时由于残余奥氏体强度较低，可能会对材料整体的力学性能产生不良影响。

3 结论和建议

1)对1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不锈钢进行磁粉检测时会出现疑似裂纹磁痕，而辅以荧光渗透方法检测后，未发现原疑似裂纹磁痕位置存在表面开口缺陷。实验分析后发现，磁痕显示位置存在残余奥氏体偏聚，而钢中残余奥氏体会破坏材料磁场的连续性，故磁粉检测时的磁痕显示是由残余奥氏体偏聚所产生的。

2)残余奥氏体偏聚可能会对材料的力学性能产生不良影响，磁粉检测发现残余奥氏体偏聚时，建议剔除出现残余奥氏体偏聚的材料和零件。

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