碳素钢车轴金相组织对超声波透声性能的影响

梁淑艳，蒋 波，吴海英，康 锋，任明明

(晋西车轴股份有限公司，太原 030027)

碳素钢车轴金相组织对超声波透声性能的影响

梁淑艳，蒋 波，吴海英，康 锋，任明明

(晋西车轴股份有限公司，太原 030027)

针对LZ50和C35e车轴的超声检测时轴向超声波透声不良的问题，对采用相同生产工艺且晶粒度级别基本相同的相应规格的车轴进行解剖分析。结果表明：超声波透声性能不良车轴的金相组织存在区域性珠光体聚集，或存在珠光体、铁素体群的区域性分布，局部伴有类似针状的铁素体；而超声波透声性能合格车轴的金相组织呈均匀的“珠光体+铁素体”细晶粒组织。实践表明，这种珠光体聚集或珠光体、铁素体群的区域性分布会使轴向超声波散射衰减增大，而且这种组织比局部单个大晶粒对轴向超声波散射衰减的影响更大。实际生产中，应对钢坯冶炼、轧制及车轴锻造和热处理过程进行有效地控制，才能消除或削弱这种组织的存在。

透声性；晶粒；珠光体；铁素体；超声波衰减

车轴是关系到铁路车辆运行安全的重要部件，通过超声波检测技术检验车轴的透声性能和内部缺陷是确保车轴质量和行车运行品质的重要手段。衰减是材料的超声表征之一，超声波在材料中的衰减变化反映的是微观组织结构变化所产生的对超声波散射量和吸收量的改变，据此可以推断微观组织的尺寸、形态、边界及位错等[1]。车轴透声性能检测正是基于这一原理，使用A型脉冲反射式超声波探伤仪以及手工直接接触法对车轴进行超声纵波检测，以超声波在材料中的衰减特征表征其微观组织的符合性。即，以车轴一个端面作为入射面进行扫查，观察其另一个端面(背反射面)的反射波幅度(也称“底波高度”)，并将其与基准波高(标准规定的回波高度)进行比较，当底波高度等于或高于基准波高时，透声性能合格，否则为透声不良。

在车轴生产过程中，对LZ50钢车轴和C35e钢车轴进行超声波检测时，出现轴向透声性能不良，即底波高度达不到基准波高的问题。结合超声波的传播衰减理论，引起衰减的原因主要有：① 声束的扩散；② 材料中的晶粒或其他微小颗粒对声波的散射；③ 介质的吸收。其中，扩散衰减仅取决于波阵面的形状而与介质的性质无关；吸收衰减是由于介质的粘滞性和热传导导致部分声能转化成了热能。所以，对上述问题，重点从可能引起超声波散射衰减的因素进行分析。

一般情况下，在检测系统处于正常工作状态的条件下，除缩孔、缩松等内部缺陷引起的底波衰减外，造成车轴透声不良问题的原因主要有：① 低倍组织缺陷或非金属夹杂、夹渣等；② 成分偏析引起的组织不均匀；③ 热处理后的晶粒和组织异常。根据调查数据显示，车轴钢坯本身的非金属夹杂物、低倍组织和化学成分均在标准规定的技术指标允许范围内，所以笔者重点针对车轴的金相组织和晶粒度进行了超声波透声性能对比检验和分析。结果表明，实际生产中，应对钢坯冶炼轧制及车轴锻造和热处理过程进行有效控制。

1 透声不良车轴超声波检验及金相检验

按标准TB/T 2945-1999 《铁道车轴用LZ50钢车轴及钢坯技术条件》校准检测灵敏度,扫查透声不良的LZ50钢车轴端面1/2半径范围，部分区域超声底波波高为30%左右,低于基准波高。在透声不良的LZ50车轴端面1/2半径处确定端面底波低的位置，沿车轴轴线方向，对应端面底波低的位置依次在轮座和轴身部位制取试样进行金相和晶粒度检测。结果显示，轮座部位和轴身部位的组织相似，均为“珠光体+铁素体”，晶粒度为7级，同时存在区域性珠光体聚集现象，局部区域珠光体聚集非常明显。透声不良LZ50钢车轴金相检验结果见图1。

图1 透声不良LZ50钢车轴金相检验结果

同样，按照标准IRS:R-16/95《印度铁路客、货车车轴标准规范》，扫查透声不良C35e钢车轴端面，中心至1/2半径范围内底波高于40%，1/2半径处底波约为40%，而1/2半径以外底波仅20%左右，低于基准波高。在透声不良C35e车轴端面的中心、1/2半径处和近表面位置分别确定底波低的位置，沿车轴轴线方向，对应端面底波低的位置依次在轮座和轴身部位制取试样并进行金相组织、晶粒度检测。结果显示，各部位组织均为“珠光体+铁素体”，轮座和轴身1/2半径处晶粒度为8级，组织出现珠光体、铁素体群的区域性分布；轴身和轮座中心晶粒度为7.5级，组织与1/2半径处相似，同样为珠光体、铁素体群的区域性分布，并伴有类似针状铁素体。透声不良C35e钢车轴金相检验结果见图2。

图2 透声不良C35e钢车轴金相检验结果

2 透声合格车轴超声波检验及金相检验

为与透声不良车轴做对比分析，选取了轮座和轴身1/2半径处晶粒度为7级、金相组织为“珠光体+铁素体”均匀细晶粒的LZ50钢车轴(见图3)，经超声波透声检验，其底波高于80%，即高于基准波高。

图3 透声合格LZ50钢车轴金相检验结果

同样，选取了轮座和轴身1/2半径处的晶粒度为7.5～8级(局部存在单个大晶粒)、金相组织为“珠光体+铁素体”的均匀细晶粒的C35e钢车轴(见图4)，经超声波透声检验，扫查其整个端面，底波均高于40%，即高于基准波高。

图4 透声合格C35e钢车轴金相检验结果

3 透声不良与合格车轴的金相组织对比分析

通过对比透声不良车轴与透声合格车轴的金相组织可以看出：在二者晶粒度基本一致的情况下，虽然金相组织中局部存在单个大晶粒，但整体呈均匀的细晶粒组织的车轴透声性能合格；然而，金相组织中存在区域性珠光体聚集或存在珠光体、铁素体群的区域性分布、局部伴有类似针状的铁素体的车轴透声不良。初步分析，对采用相同工艺生产，且晶粒度级别基本相同的相应规格品种的车轴，在不考虑非金属夹杂物、低倍组织等对超声波衰减的影响时，金相组织中珠光体、铁素体分布不均匀或存在针状铁素体会使超声波的衰减增大，从而造成车轴透声不良。

4 分析与讨论

对于相同材料、相同热处理工艺和同种规格型号的车轴，其轴向透声检验中的超声波衰减差异程度主要由材料微观结构引起的散射衰减的程度决定，其中微观结构中平均晶粒的大小是超声波衰减程度的决定性因素，但是也必须注意，通过金相法研究或评价晶粒大小，仅仅是在一个平面上进行的，而超声波检测所涉及的对象是个立体空间。在平均晶粒度大小相等的情况下，晶界、组织的各个相以及珠光体中的片间距等因素都将影响超声波的衰减[2]。

在一定条件下，由于具有不同的晶粒边界状态、同样晶粒大小的材料的两个试样能够显示出不同的散射特征。将文中的透声不良车轴与透声合格车轴相比较，二者的晶粒度等级基本相同，但其金相组织中珠光体、铁素体的分布状态不同，前者可以视为在晶粒边界形成了一种多重连续区域，该区域晶界由相互非等效、非平整的表面构成。以超声波穿过珠光体比较集中的区域时的声衰减为例，虽然金相显示珠光体单个晶粒已被分割开，但是把晶粒边界看做是由一定厚度的铁素体中包含着一个大的珠光体晶粒基体的界面更为恰当。也就是说，这种情况下，可以把多晶体看做一个整体，用晶胞大小代替晶粒大小更为适宜，这种微观结构会引起比单个大晶粒更加显著的超声波散射衰减。同理，珠光体、铁素体群的区域性分布以及类似于针状形貌的铁素体也会相对增大超声波的散射衰减。

为了进一步分析热处理工艺相同的条件下产生金相组织差异的原因，笔者对所采用钢坯的化学成分进行了统计分析。大量的统计数据对比显示，对于上述出现透声不良的LZ50钢车轴所采用的钢坯，其Cr的质量分数为0.20%～0.25%，O的质量分数约为15×10-6，而通常所用的LZ50钢中的Cr的质量分数仅为0.02%～0.07%，O的质量分数一般不超过10×10-6；上述出现透声不良的C35e钢车轴所采用的钢坯，其N的质量分数约为40×10-6，而其他同批生产的合格车轴钢中的N的质量分数为50×10-6～70×10-6。可见，钢坯化学成分改变时，必须相应调整热处理工艺方法和工艺参数，使车轴热处理后获得均匀的晶粒组织，才能保证车轴透声性能合格。

5 结论

金相组织中的珠光体聚集或珠光体、铁素体群的区域性分布，以及类似于针状形貌的铁素体都会使超声波的散射衰减增大，而且这种组织形态比局部有单个大晶粒对超声波声能衰减的作用更大。因此，应结合钢坯化学成分中的合金元素含量、氮含量等制定适宜的热处理工艺参数，以预防、消除或削弱这种组织状态的存在。同时，应严格控制钢的冶炼、钢坯轧制加热温度、时间以及轴坯的加热和锻造温度，避免出现影响车轴综合性能，以及后续热处理很难甚至无法消除的针状铁素体组织。

[1] 李家伟，陈积懋.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] KOPEC B,王兴贤.利用超声波衰减研究铁路车轴的异常组织[J].国外机车车辆工艺，1985(6):33-36.

EffectofMetallographicStructureoftheCarbonSteelAxleonItsUltrasonicTransmissionPerformance

LIANG Shuyan, JIANG Bo, WU Haiying, KANG Feng, REN Mingming

(Jinxi Axle Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

With regard to the poor axial ultrasonic transmission of the LZ50 and C35e axles, the axles of the corresponding specification varieties with the same process and the same grain sizes were anatomically analyzed. The results show that the regional pearlite aggregation or regional distribution of pearlite and ferrite group (locally accompanied by needle-like ferrite) exist in the metallographic structure of poor axial ultrasonic transmission axles. On the other hand, a uniformly distributed pearlite and ferrite fine grain structure exists in the metallographic structure of axles with qualified ultrasonic transmission. Practice shows that the pearlite aggregation or the regional distribution of pearlite, ferrite group will make the axial ultrasonic scattering attenuation increase, and the influence of such microstructure on axial ultrasonic scattering attenuation is greater than locally single great grain. In practice, billet smelting, rolling and axle forging and heat treatment should be effectively controlled to eliminate or weaken the existence of this kind of structure.

permeability； grain； pearlite； ferrite； ultrasonic attenuation

TG115.28

： B

：1000-6656(2017)09-0061-04

2016-09-22

梁淑艳(1982-)，女，硕士，高级工程师，主要从事铁路车辆零部件产品无损检测技术方面的研究

梁淑艳，liangsy110@126.com

10.11973/wsjc201709015