球墨铸铁与灰口铸铁的超声检测

球墨铸铁与灰口铸铁的超声检测

为了快速准确识别旋转墨水合物和灰口铸造材料的现场检验方法，作者对硬度检验法、色泽分析法、锤击法和现场金相学检验法进行了大量的实验和比较。试验结果表明:这些方法都不能准确和快捷地进行球墨铸铁件与灰口铸铁件的现场鉴别。经过现场应用和验证,利用超声波在球墨铸铁和灰口铸铁中传播和衰减的差异,可以有效地解决上述球墨铸铁与灰口铸铁件的现场鉴别问题,且该方法简便、准确和快捷。1材料的化学成分采用数字式超声波探伤仪。纵波单晶直探头,频率2.5MHz和5MHz。斜探头,频率2.5MHz,K=2.53;频率5MHz,K=2.50。用同一炉铁液、同一铸造工艺制作球墨铸铁和灰口铸铁试样,并用工业浆糊作耦合剂。球墨铸铁试样的化学成分为:w(C)3.45%,w(Si)2.55%,w(Mn)0.25%,w(P)0.035%,w(S)0.014%,w(RE)0.039%,w(Mg)0.040%;灰口铸铁试样的化学成分为:w(C)3.43%,w(Si)2.30%,w(Mn)0.30%,w(P)0.038%,w(S)0.030%。球墨铸铁和灰口铸铁试样的金相组织见图1。2方法和结果2.1超声衰减测定(1)2.5MHz和5MHz纵波垂直入射厚度为19.35mm板的情况:2.5MHz和5MHz纵波垂直入射时,超声波声程均明显大于板厚,试验条件下每次底回波的衰减为60%,且5MHz比2.5MHz的超声衰减明显增大(如图2)。(2)2.5MHz和5MHz纵波垂直入射厚度为38mm板的情况:2.5MHz超声衰减比板厚为19.35mm时大大增加,且声程远大于板厚;5MHz超声衰减至基本无底回波(如图3)。(3)2.5MHz和5MHz纵波垂直入射厚度为95.00mm板的情况:2.5MHz和5MHz纵波垂直入射均无底回波。(4)2.5MHz横波斜入射厚度为13mm板的情况:当使斜探头波束中心与试板边缘距离保持为30mm不变时,平行移动探头位置,会显示出不同的声程,最大声程为53mm。但所有声程都远大于同等情况下超声波在共析钢和球墨铸铁中的声程(如图4)。2.2墨4.2底回波的衰减采用2.5MHz和5MHz纵波垂直入射20mm、86mm和158mm等厚度的球墨铸铁试板,结果底回波幅度很大,且声程与试样实际尺寸相符。与19.35mm厚度的灰口铸铁试板不同,同一频率条件下,超声波在20mm厚球墨铸铁试板中的多次底回波衰减十分微小。图5显示了2.5MHz纵波垂直入射86mm厚球墨铸铁板产生的底回波情况。3球墨铸铁与灰口铸件的超声衰减上述试验表明,超声波在球墨铸铁与灰口铸铁中的衰减存在很大差异。由于试验采用了相同化学成分(残余稀土和镁除外)、相同铸造工艺、相同尺寸的球墨铸铁和灰口铸铁试样,两者的基体组织也基本相同,因此,有理由认为,这种超声衰减的差异性主要决定于球墨铸铁与灰口铸铁中石墨的结晶构造,以及其石墨组织的形态、分布和大小的差异。3.1石墨晶体的结合能片状石墨和球状石墨都具有相同的结晶构造:石墨晶体中碳原子通过sp2杂化轨道以共价σ键与邻近的三个碳原子连接并排列成六角平面的网状结构,这些网状结构又联成互相平行的平面(基面),即六方层状晶格石墨结构(如图6)。碳原子之间的距离在层内与层间有很大差别:层内由于极强的共价键形成六角形网状结构,碳原子之间的距离较小(1.415),碳原子间的结合能(293~335kJ/mol)比金刚石(234kJ/mol)还要大;而层间的碳原子不是化学键结合,只是以极弱的范德华力结合,层间碳原子之间的距离很大(3.35),结合能很弱(16kJ/mol)。由于石墨结构中层内与层间结合能的差异(相差约20倍),使得石墨结晶在平行于基面的方向和垂直于基面的方向(c轴方向)存在显著的各向异性,并使石墨晶体层间的抗剪能力很弱,容易发生滑移。因而造成在石墨晶体的层间产生很大的超声衰减,尤其以水平剪切波(SH波)衰减最大。现场试验也表明:2.5MHz纵波垂直入射石墨电极片中,即使厚度较小也不产生底回波。然而,由于灰口铸铁中片状石墨的晶体各层都与石墨/基体相界面平行;而球墨铸铁中球状石墨的内部结构为以石墨球心为原点、c轴呈放射状的多晶体,组成球状石墨的每个锥尖指向球心的细小石墨锥体的表面均为石墨晶体的基面,整个球状石墨由结合能很大(因而刚性很大)的基面所包围,因而,使得超声波遇到片状石墨并折射进入石墨晶体时,会在石墨中产生上述层间滑移变形和衰减;而即使超声波折射进入球状石墨的放射状多晶体时,由于各细小锥形石墨晶体的层间晶面指数的不一致性和石墨小球形状和结构的刚性,不会产生大的超声衰减。3.2超声波与深传播的关系在球墨铸铁中,球状石墨孤立地分布在基体中,基体是连续的,超声波在基体中的传播是连续的,因而衰减小。而在灰口铸铁中,片状石墨不但尺寸长,而且分叉和相交,对基体起割裂作用,导致超声波在基体中的不连续传播和较大的超声衰减。3.3超声波在石墨/样品中的传播通过对共析钢、球墨铸铁和灰口铸铁基体的测试对比,超声波在所测试铸铁试样基体中的声速为4565m/s,波长(λ=c/f)在2.5MHz时为1.8mm/周,5MHz时为0.9mm/周。球墨铸铁中石墨球为φ0.05~0.10mm,超声波的波长远大于石墨球径,超声波在孤立的石墨球周围将主要产生衍射,超声衰减很小。灰口铸铁中片状石墨的线尺寸远大于球墨铸铁中石墨球直径,试验采用的灰口铸铁试样中的石墨长度为0.12~0.25mm,远大于超声波波长,当超声波遇到片状石墨时,将在石墨/基体相界面主要产生反射、折射以及波型转换。当纵波(或横波)从灰口铸铁基体斜入射到石墨/基体相界面时,将在基体中产生纵波反射和横波反射,同时在片状石墨中产生纵波折射和横波折射。反射纵波和横波继而在下一个石墨/基体相界面又产生纵波和横波反射、纵波和横波折射。由于石墨片弯曲、分叉和杂乱无章,不但使得各种错综复杂的波相互干涉,而且还使声程大大增加,进而增加了声波衰减。石墨片越粗大、分布越杂乱,声波干涉和声程增加也越大,因而声波衰减也就越大。当纵波(或横波)从灰口铸铁的片状石墨斜入射到石墨/基体相界面时,在片状石墨中产生纵波和横波反射,同时在基体中产生纵波和横波折射;并且由于超声波在石墨中的传递速度远小于在基体中的传递速度,根据Snell定律,发生入射角大于或等于第一和第二临界角的几率大大增加,因而部分超声波又将返回石墨中或在石墨/基体相界面传播。超声波在片状石墨内及其石墨/基体相界面传播距离的增加,又会增加超声波的衰减。当横波在石墨/基体相界面发生横波到纵波的反射模式转换时,由于同一介质中横波速度远小于纵波速度,并因石墨分布杂乱,入射角大于或等于第三角临界角的几率增加,因而反射纵波成为沿石墨/基体相界面的不均匀波的几率也增加,进而导致超声波的衰减也会增加。3.4超声衰减大的原因众所周知,波长越小,声衰减越大。因此,当工件尺寸小,或片状石墨长度较小时,在考虑球墨铸铁中石墨球大小的基础上,采用波长较小的超声波检测鉴别更为妥当。综上所述,灰口铸铁中错综复杂的波的相互干涉、声程增加、石墨晶体构造的特征、波的散射(反射、折射和衍射)、波型转换产生的石墨片内和相界面的反复传播以及基体不连续形成的声衰减等,都是导致灰口铸铁超声衰减大的根本原因。有文献认为,超声波在灰口铸铁中的传播速度比球墨铸铁小许多。从上述试验和理论分析来看,完整地描述超声波在灰口铸铁中的声速,必须考虑片状石墨的形状、大小和分布等组织因素,不同的金相组织将使声速产生较大差异。声程的大幅增加、基体的不连续等都是影响声速大小的基本因素。还有文献认为,造成灰口铸铁超声衰减的原因主要是晶粒粗大。上述试验表明,经过等温淬火的灰口铸铁试样,其基体已经获得较细的下贝氏体组织,但仍然产生很大的超声衰减。因此,在通常采用的波长范围内,产生超声衰减的主要原因应当是石墨晶体的构造、石墨组织的形状、分布和大小,以及由此引起的声波散射、干涉等声学现象。4超声波衰减法在出口车生产过程中,由于出现部分贝氏体灰口铸铁斜楔混入贝氏体球墨铸铁(ADI)斜楔中的意外情况,致使部分灰铁斜楔混装出厂。虽然这些零件全部经过等温淬火,但灰口铸铁斜楔的脆性仍很大。为了防止灰铁斜楔在服役过程中发生脆性断裂而发生行车安全事故,必须用贝氏体球铁斜楔更换灰铁斜楔,同时,为了避免大批车辆全部进行分解拆换,必须将灰铁斜楔从刚刚投入使用的车辆上快速识别出来,实行有目的的分解拆换。通过应用超声波衰减法,能迅速而准确地从刚刚装车的近1000辆出口整车上鉴别出所有灰铁斜楔,避免了大批车辆全部进行分解拆换的大工作量,实现了采用金相鉴别、硬度鉴别等方法无法达到的现车鉴别和快速鉴别的目的。从而避免了车辆生产方和运用方巨大的经济损失,也避免了生产方的声誉和市场损失。从上述分析和应用来看,超声衰减法鉴别灰口铸铁与球墨铸铁,进而推广到鉴别灰口铸铁与其它细晶粒钢铁材料、粗晶粒材料与细晶粒材料等的检测方法是一种通用的材料鉴别方法。5超声衰减法主要特点(1)用超声衰减法鉴别球墨铸铁和灰口铸铁的方法是可行的。(2)用超声衰减法不但可以鉴别单个零件,还可以十分方便地鉴别已经组装的零件。相对金相鉴别法而言,超声鉴别法不但大大减少了鉴别难度,而且无需截取金相试样而破坏铸件本体,还可以在不分解部件和整机的条件下,或在现场金相仪无法检查的弯曲和较小空间条件下,进行准确而方便的鉴别,甚至可能在零件静止服役条件下,实现不停机检查鉴别。(3)