高铬铸铁硬度的超声无损表征

摘 要：该试验采用超声波声速法表征高铬铸铁的硬度，研究了超声波纵向声速和高铬铸铁平均硬度的关系。结果证明，用水浸平晶片探头测得的纵波声速和硬度之间有较好的线性关系，能够无损评价高铬铸铁的硬度。

关键词：超声检测 硬度 高铬铸铁 声速

中图分类号：TG143 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0052-02

材料的超声表征有两个涉及声传播的可测参量可以利用，及超声波在材料中的声速和衰减。速度漂移测量的是弹性模量的变化，适合于检测微观组织组分的变化量。材料的硬度与材料成分、组织、硬质相数量及分布有关，这些因素的变化可能影响超声波在材料中的传播速度。该试验研究目的在于建立超声波声速与硬度之间的关系。

众所周知，硬度是材料力学性能试验中使用最广泛的性能指标。高铬铸铁以其高硬度和高耐磨性而广泛应用于矿山机械、锻造机械及粉碎机械等。高铬铸铁的硬度是评价其力学性能和使用性能的重要指标，因此测量硬度是生产和使用高铬铸铁不可缺少的环节。通常用金相法测量硬度，是破坏性的。在高铬铸铁中存在分散的硬质相，使得测量点的硬度值很分散。用超声波评定高铬铸铁的硬度，是非破坏性的，而且评价结果是反映超声波传播路径上的平均硬度，比金相法测量多个点的硬度后再算平均值更为方便。

1 试验方法

1.1 水浸法超声试验原理

试验示意图如图1所示。以适当水层深度作延迟段进行水浸法测量是有利的，因为这种液体耦合剂可使探头和试样的耦合条件得以很好的确定，并使探头相对于试样的位置和取向得到严密的控制。可利用回波B和C（或D）。

待测试样纵波声速由式1计算可得

（1）

式中 为对比试块中的纵波速度。试验采用国标CSK—ⅠB试块，=5950 m/s；

、为对比试块和待测试样两底面反射波之间的距离；

、为对比试块和待测试样厚度；

、为在对比试块和试样上测零点距离试件所用的往返声程次数。试验中采用B、D回波，=3-1=2

试验步骤如下：

（1）确认测量所用探头的声场特性（指向性、声束对称性等）是良好的；

（2）根据声束已知的对比试块及待测试样厚度，调整仪器时间基线的测量范围、扫描延迟、测量范围微调，使对比试块一次、二次、……底反射（回波B、C、……）能以相同的间距出现在基建基线的线性段上。所用的反射波的次数以一次、二次、三次底反射（B、C、D）以相同的间距占据线性段即可；考虑到声束指向性及试样尺寸（侧壁）的可能造成的影响，更多次反射也并不总是有力的。

（3）在B、C、D回波波形正常情况下在超声波检测仪上读出B回波和D回波之间距离。

（4）保持仪器调整、水层厚度等不变，在待测试样上测量，设所得两点之间的距离为A2。

（5）待测试样纵波声速Ci2可由（1）式计算求出。

1.2 超声检测仪器及探头选择

试验使用PXUT—27型全数字智能超声波探伤仪。

探头为水浸平晶片探头，超声波发射频率2.5 MHz。

1.3 高铬铸铁试样制备

试验用的试样是为矿山采掘机截齿研制的铸造合金，经熔炼浇铸而成的，成分为高铬铸铁。采用不同的热处理（淬火+回火）工艺，获得不同的硬度。试样尺寸为Φ2.0×120 mm。

1.4 高铬铸铁试样硬度测试

由于高铬铸铁硬度较高，应采用洛氏硬度（HRC）进行硬度试验。用洛氏硬度计测得每组试样HRC。为了保证测试精度，每个试样测试面至少选择3个点进行硬度测试求出平均硬度值。

2 试验结果

2.1 高铬铸铁试样硬度测定结果

试样经不同的热处理工艺处理后，其硬度测试结果见表1。

2.2 高铬铸铁试样中超声波声速计算结果

超声波在试样中传播速度检测结果见表2。

2.3 高铬铸铁硬度与超声波声速之间的关系

对2.1和2.2测定的数据进行回归分析，可以建立高铬铸铁硬度与超声波声速之间的关系如图2。图2中的□为实测值，直线为经过回归分析而得到的。直线数学解析式如下：

y=kx+b （2）

式中：k=0.033，b=-140.571

由图2可以看出，高铬铸铁硬度与超声波在其内传播声速之间存在对应关系，即随着硬度增大，声速增大。

试样在不同的热处理工艺处理后，其内部晶格结构、相组成及碳化物的析出等变化有所不同，这些因素都可能影响超声波传播的速度，并且是综合影响的结果。

3 结论

（1）超声波在高铬铸铁中传播的纵波声速与硬度存在大致正比关系；（2）高铬铸铁硬度的超声无损表征反映的是其微观组织的变化；（3）高铬铸铁超声无损表征的是声波传播路径上的平均硬度值；（4）在超声无损检测和硬度之间的关系是由破坏性试验得出来的，但对于同种成分的材料可以利用这个关系进行硬度指标的无损评价；（5）材料的某些力学性能指标可以用超声无损表征，但对于不同材料、不同的力学性能指标的表征，必须通过试验建立对应关系。

参考文献

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