C60钢是优质碳素结构钢，其碳元素质量分数为0.57%~0.65%。C60钢具有高硬度、高强度以及低成本等优点，在钢制品行业中需求量大、应用广泛，其主要用于制造弹簧圈、轮轴、凸轮、钢绳等构件。C60钢的硬度是制造高强度机械零件的重要参数，大量的理论与试验研究表明：微观结构的变化会引起材料硬度的变化，还会对材料的电磁特性产生较大影响。HAO等应用电磁技术研究了两相钢微结构的电磁响应模型，发现铁素体的形态分布对材料的磁导率有显著影响。黄炎等应用涡流检测方法分别对45钢和S136钢进行检测，将其与硬度测试结果进行对比，最终确定上述两种钢的硬度与涡流阻抗幅值之间的线性关系。HENAGER等研究了HT-9合金微观结构与电磁特性之间的关系，发现电磁特性参数与材料的硬度呈正相关。GUKENDRAN等研究发现涡流检测技术是检测AISI4130钢热处理试样硬度特性的有效手段,可以用电磁方法对材料的硬度进行测试。KASHEFI等建立了线圈归一化阻抗与破坏性冲击试验结果之间的关系，利用电磁信号可以有效地预测4340回火钢的纤维组织性能。

 

     研究人员以C60模具钢为研究对象，采用中心频率为4kHz的矩形穿过式涡流探头，对试样进行不同参数的回火处理；观察不同回火条件下材料的显微组织，确定显微组织与材料电磁特性参量、力学性能的关系；采集不同回火温度下试样的涡流信号，将涡流阻抗和试样的洛氏硬度进行回归分析，确定了涡流信号阻抗与洛氏硬度之间的电磁数学方程，为C60模具钢材料硬度的无损检测提供理论依据。

 

1、 试样制备

 

      试验材料选用厚度为3mm的C60模具钢，其化学成分如表1所示，该产品已经过淬火处理。合适的回火工艺能调整模具钢原始组织的不均匀性和硬度，以满足实际生产需求。经过多次的试验研究，制定了合适的C60模具钢回火试验方案。将试样回火温度分别设置为300，340，380，400，440，480，550，590，630℃，保温2h后出炉自然空冷。

 

      利用电火花线切割方法在回火处理后的试样上取样，试样经磨抛后，用4%(体积分数)硝酸乙醇溶液对其进行腐蚀，在光学显微镜下观察其显微组织。用洛氏硬度计对经过不同回火温度处理后的试样进行硬度测试，每个试样正反面共测24个点，将最后得到的算数平均值作为该试样的最终硬度。C60模具钢的不同回火工艺参数及硬度测试结果如表2所示。

 

 

2、 试验原理及装置

 

2.1 涡流检测原理

 

      涡流检测是以电磁感应原理为基础的无损检测方法，当载有交变电流的线圈靠近导体时，线圈产生的交变磁场会在导体中感生出涡流检测线圈，且不需要接触工件，对工件表面及近表面的缺陷有很高的检测灵敏度。

 

     线圈可以由电抗、电容和电阻串联的电路表示，通常忽视线匝间分布的电容。线圈的复阻抗Z的表示方法如式(1)所示。

 

     L的计算方法如式(2)所示。

 

 

      阻抗平面图是以电阻R为横坐标，电感XL为纵坐标形成的直角坐标系，则线圈阻抗Z的计算方法如式(3)所示。

 

2.2 涡流检测装置

 

      C60模具钢硬度的涡流检测信号采集装置如图1所示。由图1可知：检测装置由穿过式涡流探头、涡流信号发射接收装置、高速模/数采集卡、计算机等组成。当待测C60模具钢匀速通过穿入式涡流探头，同时在激励线圈中接通4000Hz的正弦交流电时，金属材料中会产生交变磁场，引起材料的涡流信号发生变化，通过高速模/数转换采集涡流信号，最后显示在计算机上。

 

 

3、试验结果与讨论

 

3.1 金相检验

 

     图2为C60模具钢不同温度回火后的显微组织形貌。由图2可知：经300℃×2h的回火处理后，试样的组织主要为回火屈氏体，回火屈氏体由铁素体和粒状碳化物组成；在回火热处理过程中，铁素体基体呈条状，含量约为10%，碳化物渗透其中，呈细颗粒状；当回火温度为440~630℃时，试样的组织主要为回火索氏体，回火索氏体由铁素体和较粗的粒状碳化物组成；经充分回火后，条状碳化物消失，此时铁素体含量约为80%。回火温度是马氏体分解的关键因素，随着回火温度的升高，马氏体中碳元素含量降低，当回火温度较低时，碳原子扩散速率较慢，马氏体溶解缓慢。

 

3.2 涡流检测

 

     图3为300℃回火后C60模具钢试样的涡流检测电阻与电感波形图。利用涡流检测装置测量不同回火温度下C60模具钢的电感和电阻，并计算不同回火温度下C60模具钢的阻抗，结果如表3和图4所示。由表3和图4可知：随着回火温度的升高，试样的晶格结构进行重排，原子间距离增大，导致晶体结构中电子运动受到阻碍，从而增大了材料的电磁特性参数。

 

 

 

3.3 硬度测试

 

      回火温度会改变材料内部的微观结构，使内部畴壁结构及畴壁运动形式不同，导致材料的电导率等磁性特征参数发生变化，从而在材料表面产生涡流，因此可以利用检测线圈的阻抗来测量其硬度。建立试样洛氏硬度与涡流输出的关系，以表3中的洛氏硬度为因变量,涡流阻抗为自变量，应用最小二乘法对两者进行线性拟合。

 

     横轴为经计算得到的阻抗，纵轴为超声硬度计测量得到的洛氏硬度，其最小二乘法的拟合曲线如图5所示，一元二次拟合方程如式(4)所示。

 

 

      拟合优度是样本回归线对数据拟合优劣的指标，拟合优度越接近1，说明回归线对观测值的拟合程度越好；反之则说明回归线对观测值的拟合程度越差。图5中拟合优度为0.98，表明阻抗与洛氏硬度的一元回归线拟合度很好。

 

     取8个同一批次生产的C60模具钢，用不同回火温度的热处理工艺对这8个试样进行处理，利用涡流检测装置对试样进行涡流检测。将涡流检测硬度与实际硬度测试结果进行对比，结果如图6所示。

 

 

     由图6可知：涡流检测硬度与实际硬度测试结果相差不大，满足±1HRC的精度要求。利用涡流检测法可以对C60模具钢进行硬度测试，即拟合公式(4)可实现对不同回火温度下C60模具钢的涡流表征。

 

4、 结论

 

     (1)对淬火后的C60模具钢进行回火处理，在保温时间相同的条件下，随着回火温度的升高，C60模具钢显微组织中回火屈氏体的含量逐渐减少，回火马氏体含量增加，铁素体体积增大,原子的热运动减弱，使原子自旋耦合现象增强，从而提高了涡流电磁参数。当回火温度为630℃时，涡流阻抗达到最大。

 

     (2)回火温度升高导致C60模具钢结构重新排列，铁素体含量增加，原子间的距离增大、作用力减小，导致材料的硬度减小。当回火温度为300℃时，C60模具钢的洛氏硬度最大。

 

     (3)利用最小二乘法数学模型，结合涡流信号阻抗与常规硬度测试,得到 C60模具钢涡流信号阻抗与洛氏硬度之间的电磁数学方程，该模型对试样硬度的预测值与洛氏硬度计实测值相比，相对误差小于1%，结果可靠。

 

作者：侯怀书1，李佳俊1，张勇2，焦超飞1

 

单位：1.上海应用技术大学 机械工程学院；

 

2.海南省锅炉压力容器与特种设备检验所

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第5期

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 涡流测试方法