蓄能器承压壳体热处理效果的无损评估

2022-03-02沈正祥张翰林裘浩田黄焕东牛亚平

理化检验(物理分册) 2022年2期

沈正祥, 张翰林, 裘浩田, 黄焕东, 杨福, 牛亚平, 陈虎

(1.宁波市特种设备检验研究院蓄能器型式试验实验室，宁波 315048；2.宁波市劳动安全技术服务公司，宁波 315048)

蓄能器是液压气动系统的关键部件，主要用于存储和释放能量，以及平衡管路的油压波动，是用于储存高压流体的容器。蓄能器工作压力最高可达31.5 MPa，由于其服役环境恶劣，因此对壳体的承载能力有很高的要求[1]。为了保障蓄能器在高负荷下安全运行，一般选用35CrMo合金结构钢为承压壳体材料，经过调质热处理后，该结构钢可获得良好的强韧性[2]，热处理对提高蓄能器的疲劳强度，延长工作寿命也具有重要意义。

常规材料热处理的质量检测方法有金相检验和力学性能检测，均属于破坏性方法，需打磨或切割产品，效率低，无法对批量产品质量实现全范围有效检测[3]。无损检测可在不伤害检测对象的前提下，判断材料内部是否存在结构不均匀或缺陷等异常，既可检测原材料，也能对半成品、成品实现全程检测，甚至可对服役设备材料进行在役检测[4-5]。国内外学者利用无损检测技术在材料热处理检验和质量控制方面进行了很多探索，张令中等[6]用涡流导电仪检测热处理后铝合金的硬度、强度及显微组织；李卫彬等[7]基于非线性超声技术对X-750镍基高温合金的热处理参数进行优化，发现材料经过热处理后，其性能越好，非线性效应则越弱；林莉等[8]用超声波速度表征了38CrMoAl钢的热处理转变产物，发现波速与回火温度有着很好的线性相关性。任尚坤等[9]研究了不同回火条件下，45钢的力学性能与磁记忆信号之间的关系，并建立了基于分布梯度和特征参量的预测模型。采用涡流、超声、电磁等技术对零部件表面的脱碳层进行检测也有一些报道。磁矫顽力法与上述技术相比具有显著优势，目前主要应用于外载荷作用下材料内部应力的检测，而对产品整体热处理质量评估方面的研究并不多见。

笔者针对某企业蓄能器承压壳体热处理检验效率不高的问题，探索了一种基于材料磁特性的无损检测方法，结合常规的金相检验和硬度检验，该方法可用于快速评估蓄能器壳体的力学性能，以对批量产品的热处理效果进行全面检验。

1 试验材料及方法

试验材料为蓄能器承压壳体常用的35CrMo合金钢，其主要化学成分如表1所示。原材料为热轧无缝圆管，外径为219 mm，壁厚为12 mm，任意截取一段钢管，采用加热方式对其两端进行收口，共加工1#，2#两只壳体，长度均为370 mm(见图1)。参照某蓄能器生产企业实际的整体制造工艺，利用连续式辊底热处理炉进行调质热处理，热处理方案如表2所示。

图1 35CrMo钢壳体的宏观形貌

表1 35CrMo钢的化学成分 %

表2 壳体的热处理方案

采用金相方法和无损检测技术对壳体热处理前后的显微组织和力学性能进行快速评估。铁磁性材料的磁滞行为对微观结构和应力变化非常敏感[5]。当材料成分和热处理工艺一定时，其微观组织和应力分布是确定的，相应的磁滞特征也是确定的。基于此特征，材料的磁性参数可用于快速评估热处理质量。在壳体圆筒部分选取4条扫查路径(见图2)，相邻两条路径的夹角约为90°。具体检测方案为：① 利用TSC-2M-8型应力集中检测仪分别沿4条路径进行扫查，获取扫查路径整体的应力状况；② 在每条扫查路径上选取4个测量点，间隔为100 mm，采用KIM-2M型残余应力检测仪进行矫顽力检测;③ 采用JXD-Pro型金相显微镜分别对1#，2#壳体进行显微组织观察，以分析热处理前后材料的微观结构演变。对测量点进行打磨抛光，利用便携式里氏硬度计进行表面硬度检测。

图2 无损检测扫查路径示意

2 结果分析与讨论

2.1 显微组织分析

热处理前，35CrMo合金钢为热轧退火态，其显微组织主要为铁素体和珠光体，晶粒未发生明显拉长变形(见图3)。当加热至850 ℃时，淬火后其显微组织直接为马氏体、少量碳化物和残余奥氏体。在610 ℃高温回火时，马氏体发生分解，碳化物进一步析出并聚集长大，最终形成回火索氏体，组织均匀细化，碳化物颗粒弥散分布(见图4)。

图3 热处理前35CrMo钢的微观形貌

图4 热处理后35CrMo钢的微观形貌

2.2 磁场强度与磁场梯度分析

热处理残余应力对壳体的疲劳寿命有着重要影响，研究表明,铁磁性材料的应力集中与磁场强度变化存在对应关系，热处理会使材料的磁特性发生变化[10]。图5为35CrMo钢壳体的磁记忆信号曲线(图中1～8表示通道号)，观察磁场强度Hp和磁场梯度dH/dx的变化特征，1#壳体的曲线整体较为平缓，但两端存在明显的突跃变化(虚线框内)，对应的磁场梯度dH/dx也超过极限值，表明这些位置可能存在应力集中。经调质热处理后，2#壳体的曲线尽管还存在局部突变，但磁场梯度dH/dx总体均低于极限值，应力消除效果显著。磁场信号的特征参量k(x)ave和ΔH如式(1),(2)所示。

图5 35CrMo钢壳体的磁记忆信号曲线

k(x)ave=dH/dxave

(1)

ΔH=|Hpmax-Hpmin|ave

(2)

式中：H为磁场强度;Hpmax为最大磁场强度;Hpmin为最小磁场强度;k(x)ave为磁场梯度平均值。

图6为热处理前后35CrMo钢壳体的磁场强度与梯度均值变化柱状图，可看出热处理后k(x)ave与ΔH的变化趋势和幅值的变化趋势基本一致，且均显著提高。磁记忆信号受材料热处理的相变组织和残余应力影响较大，原始态35CrMo钢的显微组织为铁素体+珠光体，但晶粒较大；经调质热处理后，35CrMo钢的显微组织为回火索氏体，晶粒细化，磁导率变小，磁场强度变大，相应的ΔH也变大，最终导致k(x)ave增大。

图6 热处理前后35CrMo钢壳体的磁场强度与梯度均值变化柱状图

2.3 力学性能与矫顽力

表3为热处理前后35CrMo钢的力学性能[11]。图7为1#，2#壳体不同测量点的矫顽力和硬度分布，可看出壳体的硬度分布均匀。硬度检测时需打磨壳体表面，这会对金属造成轻微破坏，检测结果严格来说属于壳体表层硬度。矫顽力检测是通过直流电对壳体材料进行磁化，磁力线穿过材料内部，可对8～12 mm深度的材料组织进行检测。研究表明,氧化皮、铁锈等形成的空气间隙会增加磁阻，这是矫顽力出现波动的主要原因，但对实际检测结果的综合误差影响不大[12]。

表3 热处理前后35CrMo钢的力学性能

图7 1#,2#壳体不同测量点的矫顽力与硬度分布

35CrMo钢经淬火后，其强度和硬度大幅增加，但塑性变差。高温回火后，其塑性增强。调质态2#壳体的硬度均值比原始态1#壳体的硬度均值高17.98%，相应的矫顽力也高了36.78%。这是因为：35CrMo钢经过淬火后形成板条状马氏体组织，矫顽力大幅提升；高温回火后，只有部分碳原子以碳化物形态析出。由于晶粒细化，调质态35CrMo钢壳体的矫顽力下降了，但仍高于其原始态的矫顽力[13]。将35CrMo钢壳体的矫顽力与硬度检测结果进行拟合，结果如图8所示，矫顽力与硬度大体上呈线性关系[14]。需要说明的是，矫顽力检测结果除与材料的种类和性质相关外，还与检测探头的频率、形状、尺寸等因素有关。