金属材料内应力、铁素体含量和晶粒尺寸对声速的影响

崔　东, 贺西平*, 刘小荣, 卢　康, 贺升平, 尼　涛

(1 陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西省超声重点实验室，陕西 西安 710119;

2 陕西省宝鸡市150信箱11号，陕西 宝鸡 721013)



金属材料内应力、铁素体含量和晶粒尺寸对声速的影响

崔东1, 贺西平1*, 刘小荣1, 卢康1, 贺升平2, 尼涛2

(1 陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西省超声重点实验室，陕西 西安 710119;

2 陕西省宝鸡市150信箱11号，陕西 宝鸡 721013)

摘要：为了研究金属材料内应力、铁素体含量和晶粒尺寸对声速的影响,以牌号分别为1Cr17Ni2、2Cr13的两种不同材质的不锈钢 (其中同种材料进行了不同温度的热处理)为例测试了不同热处理温度下材料的声速;并对热处理温度较低、未达到相变温度的3Cr13金属材料的微观组织结构中铁素体含量变化进行推测。结果表明，纵波声速取决于热处理后组织的铁素体含量、内应力大小和晶粒尺寸。当热处理温度未达到相变温度时，即为无应力的状态，声速大小主要决定于铁素体含量的变化；当热处理温度达到相变温度时，即有内应力的状态，声速大小主要决定于铁素体含量、内应力大小和晶粒尺寸。

关键词:热处理；声速；内应力；铁素体

PACS: 43.35.+d

金属颗粒的大小会影响材料的机械特性[1-2]，对金属材料的声速进行测量可以探究不同热处理温度下材料晶粒尺寸的变化规律[3]。声速也可以对金属材料的其他性能参数进行评价。例如，声速可以影响TC4激光立体显微组织成形[4-7]，测量声速可以防伪辨识贵重金属材料或珍贵金属藏品[8-10]。

对同种材料采取不同的热处理工艺，会导致力学性能(疲劳蠕动和屈服强度等)不同[11]，其声速也可能不同。前人对组织结构单一的材料研究较多，这些材料都可以通过晶粒尺寸直接评价其声速。例如：文献[12-14]论述了奥氏体不锈钢晶粒尺寸随着保温时间的延长或固溶温度的提高而增大,水冷条件下的纵波声速呈指数衰减趋势,空冷条件下的纵波声速呈线性衰减趋势。文献[15]发现声速随着晶粒尺寸的增大而逐渐减小。文献[16]分析了超声纵波声速和低碳钢Q235的平均晶粒直径之间有较好的线性关系,随着平均晶粒直径的增加,声速下降，晶粒直径变化1 mm , 声速降低幅度为60～80 m/s。文献[17]报道了TA2合金试样纵波声速随着晶粒尺寸的增大而增大。

前人对组织结构较为复杂(含有第二相颗粒)材料研究较少。本文以牌号分别为1Cr17Ni2、2Cr13两种不同材质的组织结构较为复杂的马氏体不锈钢(其中同种材料进行了不同温度的热处理)为例，探究了声速随热处理温度变化的规律，结合材料铁素体含量、内应力和晶粒尺寸对其声速的变化进行了分析。发现测得的声速变化规律能够反映材料铁素体含量、内应力和晶粒尺寸的变化。

1实验测试

声速可用脉冲反射法进行测量，当探头发射的超声波脉冲垂直入射通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回来后再被探头接收。只要知道声程和传播时间，就可得到声速。计算公式如下：

(1)

式中,d为被测样品的厚度，Δt为一次底面回波到二次底面回波间的时间，c为超声波在被测样品中的传播速度。

测试使用的1Cr17Ni2化学成分(质量分数，%)为16.00～18.00Cr，1.50～2.50Ni，0.11～0.17C，≤0.80Si， ≤0.80Mn，≤0.03S，≤0.035P。2Cr13的化学成分(质量分数，%)为12.00～14.00Cr，0.16～0.24C，≤0.60Si， ≤0.60Mn，≤0.03S，≤0.035P，试样均为厚15mm、半径24mm的圆柱。热处理方式为依次加热，温度到达测试温度，保温处理3h后空冷。热处理温度分别为 25、259、555、674、852和970 ℃。

使用中心频率为5MHz的纵波高频探头，水为耦合剂。确保探头与试样紧密接触，且探头与各试样间耦合条件相同。

测试装置如图1所示。脉冲发射/接收器型号为Model5077PR，奥利巴斯公司产，是一种宽带脉冲发射接收仪，带宽为35MHz。数字示波器为TektronixDPO5034B，单通道采样率为5GHz，回波脉冲的时间分辨率为0.2ns，用于数据采集和波形收录。每次采样5 000次作为平均值存储，后输入到计算机中利用编程对声速进行计算。

图1　测试系统连接装置

试样按热处理温度不同分为6组，每一组再按不同测试位置分为3小组，每一位置测试6次取其平均值，最后再对3个不同位置上的声速求平均。图2是其中一个试样在探头中心频率为5 MHz时的超声回波信号波形。图中符号L为上表面的底面回波，A1、A2分别为一次、二次下表面的底面回波。测得A1和A2之间的间隔时间Δt以及试样的厚度d，利用式(1)即可求得声速。

图2　回波信号时间波形

2结果分析及讨论

2.1测试结果

从表1看出，1Cr17Ni2、2Cr13不锈钢材料不同温度热处理后声速虽然没有大幅的变化但足以区分，2Cr13常温状态及两种不锈钢材料在热处理温度较高时声速变化明显，其余温度均在5 934～5 953 m/s小范围内波动。不同热处理温度的声速变化曲线见图3。

表1　1Cr17Ni2和2Cr13不同热处理温度声速

图35 MHz时声速与热处理温度的关系

Fig.3Relationship between acoustic velocity

and heat treatment temperature at 5 MHz

2.2分析及讨论

超声波进入材料内部，经过声阻抗急剧变化的界面时，在介质中具有不同声速和密度组分的边界就会对超声波形成反射、折射和散射。在介质中的传播速度与弹性模量成正比，与密度成反比。当金属的组织微观结构发生相变时，超声波的速度也会发生变化。

1Cr17Ni2和2Cr13钢均属于马氏体不锈钢，对于这种金属材料，由于其材料内部微观组织的复杂性，决定声速变化的因素除了文献[15-16]中指出的晶粒尺寸外，还有微观结构的铁素体含量以及组织内应力[18]。当热处理温度较低未达到相变温度时，通过金相分析软件计算得到的晶粒尺寸(经测试为21 μm)几乎没有变化。当热处理温度较高达到相变温度时，晶粒尺寸(经测试为22～23 μm)略微增加。

有内应力的纵波声速表达式[18]为

(2)

式中，C为有应力时的声速，CL为无应力时的声速，σ为应力，ρ0为密度，λ、μ为拉曼常数，J、m为三阶弹性常数。从公式(2)看出，C仅与σ大小有关。在工程上常用C变化评价材料σ大小[19-21]，σ增加，C降低，弹性常数对其材料内部微观组织结构不是十分敏感[22-23]。

图4为1Cr17Ni2在25、259、555、674、852、970 ℃时， 500×(显微镜下放大500倍)金相显微镜观测到的材料内部微观结构金相图片。分别对应图3中的A、B、C、D、E、F点。图5表示2Cr13在25、259、555、674、852、970 ℃时500×金相显微镜观测到的材料内部微观结构金相图片，分别对应图3中的A′、B′、C′、D′、E′、F′点。

图4　不同热处理条件下1Cr17Ni2不锈钢显微组织(500×)

图4a、b、c、d和图5a、b、c、d分别为热处理温度较低时没有达到相变温度的1Cr17Ni2、2Cr13组织，其晶粒尺寸(经测得约21 μm)和内应力均没有变化，只有铁素体(图4和图5微观组织结构中亮色的部分)含量发生变化。分别对比图4a—d和图5a—d，发现1Cr17Ni2铁素体含量变化趋势为先增大后减小 (经金相分析软件计算分别为27%、31%、44%、33%)，2Cr13铁素体含量变化趋势为先减小后增大再减小 (经金相分析软件计算分别为57%、29%、46%、26%)。从图3中A、B、C、D和图3中A′、B′、C′、D′看出，声速的变化趋势1Cr17Ni2先增大后减小，2Cr13先减小后增大再减小，其原因可能是由于铁素体含量对声速的大小起决定作用。故铁素体含量越高，声速越大。

图4e、f和图5e、f分别为热处理温度较高达到相变温度的1Cr17Ni2、2Cr13组织，其晶粒尺寸均略微增加(经测得为22～23 μm)，相变过程中存在内应力释放，铁素体含量也有所变化。分别比较图4d和e、图5d和e，1Cr17Ni2、2Cr13铁素体含量均增加(经金相分析软件计算分别为43%和64%)，二者组织转变过程应力小，热处理过程中应力释放小，依据公式(2)声速增加。从图3中D、E和图3中D′、E′看出，1Cr17Ni2、2Cr13声速增加均较为明显，可能是由于铁素体含量和内应力共同对声速的大小起作用。故铁素体含量越高，内应力越小，声速越大。

对比图4e和4f、图5e和5f，1Cr17Ni2、2Cr13残留的碳化物与铁素体基体组成珠光体，组织转变完成，铁素体含量均降低(经金相分析软件计算分别为30%、28%)，晶粒尺寸均增大(经测得为23 μm)，应力释放完毕。从图3中E、F和图3中E′、F′看出，1Cr17Ni2、2Cr13声速均减少较为明显，其原因是铁素体含量和晶粒尺寸共同对声速的大小起作用。故铁素体含量越低，晶粒尺寸越大，声速越小。

综上所述，当热处理温度没有达到相变温度时，即为无应力状态，声速大小主要决定于铁素体含量的变化，铁素体含量越高，声速越大。当热处理温度达到相变温度时，即有内应力时，声速大小主要决定于铁素体含量、内应力大小和晶粒尺寸，晶粒尺寸越大，内应力越大，声速越小。此结果与文献[18]45钢和文献[24]40Cr结果基本一致。

图5　不同热处理条件下2Cr13不锈钢显微组织(500×)

为验证上述规律，以金属材料3Cr13为例，对未达到相变温度的组织微观结构进行了分析(如图6)。发现铁素体含量的变化趋势(图6a到图6c)先减小后增加(经金相分析软件计算分别为39%、33%、47%)，推测出声速变化趋势为先减小后增加,与回波法测得的声速(378 ℃时为6 081 m/s、 555 ℃时为6 075 m/s、674 ℃时为6 079 m/s)变化趋势一致。对于金属材料3Cr13在较高热处理温度(达到相变条件)的组织微观结构，由于其结构较为复杂，不同金属材料发生相变的热处理温度不同，同种相变温度下的材料微观组织结构形态亦有所不同，因此本文不做讨论。

图6　3Cr13不同热处理条件下不锈钢显微组织(500×)

3结论

本文研究了不同热处理温度的不锈钢材料与其声速的关系，结合材料内部微观组织结构对该关系进行了分析，发现纵波声速决定于热处理后组织铁素体含量、内应力大小和晶粒尺寸，主要结论如下：

(1) 当热处理温度未达到相变温度时，即为无应力状态，声速主要决定于铁素体含量变化，铁素体含量越高，声速越大。

(2) 当热处理温度达到相变温度时，即为有内应力状态，声速主要决定于铁素体含量、内应力和晶粒尺寸，铁素体含量越低、内应力越大、晶粒尺寸越大，声速越小。

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〔责任编辑 李博〕

第一作者： 杨厚禄, 男, 硕士研究生, 研究方向为声学测量和声学材料。E-mail:houlu510@163.com

The effect of internal stress, iron ferrite content and grain size on acoustic velocity

CUI Dong1, HE Xiping1*, LIU Xiaorong1, LU Kang1, HE Shengping2, NI Tao2

(1 School of Physics and Information Technology, Shaanxi Key Laboratory of Ultrasonic,

Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, Shaanxi, China;

2 11 Subbox, 150 Mailbox, Baoji 721013, Shaanxi, China)

Abstract:The effect of internal stress, iron ferrite content, grain size on acoustic velocity are investigated.Two different material of stainless steels, 1Cr17Ni2 and 2Cr13, with same material treated under different heat temperatures conditions are taken for examples. Acoustic velocity of different heat treatment temperature of metal materials is measured.The iron ferrite content in the 3Cr13 treated with low temperature is speculated when the phase transition has not occurred. The results show that the longitudinal wave velocity depends on material iron ferrite content, internal stress size and grain size. If the heat treatment temperature does not reach the phase transition temperature, which means that stainless steel is no stress, velocity magnitude mainly depends on ferrite content changes. If the heat treatment temperature is reached, that is, stainless steel has internal stress, velocity size mainly depends on material iron ferrite content, internal stress size and grain size.

Keywords:heat treatment; acoustic velocity; internal stress; iron ferrite

通信作者：* 王公正, 男, 副教授。E-mail: gongzhw@snnu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金(11274216, 1202020421)； 陕西省自然科学基金(2013JQ1017)

收稿日期：2015-07-18

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.01.212

文章编号：1672-4291(2016)01-0029-05

中图分类号:O422.4

文献标志码:A