本發(fā)明涉及一種建立鑄造奧氏體不銹鋼中鐵素體晶粒特征與超聲信號(hào)特征之間關(guān)系的方法，其屬于金屬材料超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鑄造奧氏體不銹鋼廣泛應(yīng)用于核電、化工等領(lǐng)域。其組織特點(diǎn)是晶粒粗大，以Z3CN20.09M鋼為例，奧氏體等軸晶粒直徑約1-5mm，柱狀晶粒長度可達(dá)十幾mm，彈性各向異性明顯；同時(shí)，含有約20%的鐵素體，呈長條狀或島狀，尺寸在亞mm量級(jí)。由于長期服役于高溫、高壓等惡劣環(huán)境，易發(fā)生力學(xué)損傷。此外，鑄造過程中產(chǎn)生的微小缺陷也可作為裂紋源、促進(jìn)裂紋的形核和擴(kuò)展。因此，對(duì)鑄造奧氏體不銹鋼中微小缺陷和損傷進(jìn)行檢測對(duì)保證關(guān)鍵構(gòu)件安全運(yùn)行十分重要。

工程中一般采用較低的超聲檢測頻率（0.5-2MHz），目的在于降低彈性各向異性奧氏體晶粒導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)噪聲，提高檢測信噪比。此時(shí)，超聲縱波波長約3-12 mm，鐵素體晶粒的影響常忽略不計(jì)。然而，對(duì)于亞毫米量級(jí)（甚至更小）缺陷和損傷，必須提高超聲檢測頻率（一般在10 MHz以上），對(duì)應(yīng)的超聲縱波波長降低至0.6 mm以下，與鐵素體晶粒的尺寸相當(dāng)。此時(shí)，鐵素體晶粒和奧氏體晶粒一樣影響超聲波傳播行為和檢測評(píng)價(jià)結(jié)果，不能忽略。

因此，建立鐵素體晶粒特征與超聲信號(hào)特征之間的關(guān)系是鑄造奧氏體不銹鋼微小缺陷和損傷檢測必須解決的問題。其難點(diǎn)在于如何從超聲信號(hào)中剝離奧氏體晶粒彈性各向異性的影響，主要是鑄造奧氏體不銹鋼中奧氏體、鐵素體晶粒共存，且奧氏體晶粒晶體取向多為隨機(jī)分布。如果通過制備單晶材料、分別表征，就會(huì)改變原有的組織環(huán)境、成分和性能，與原始的鑄造組織不具有可比性。而對(duì)于柱狀?yuàn)W氏體晶粒而言，各晶粒長軸方向均為<100>方向，生長速度較快，僅鐵素體晶粒存在差異。因此，本發(fā)明提出一種建立鑄造奧氏體不銹鋼中鐵素體晶粒特征與超聲信號(hào)特征之間關(guān)系的方法，可以避免奧氏體晶粒晶體取向變化帶來的影響，對(duì)研究鑄造奧氏體不銹鋼中超聲信號(hào)傳播機(jī)理、提高微小缺陷和損傷的檢測能力具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提出一種建立鑄造奧氏體不銹鋼中鐵素體晶粒特征與超聲信號(hào)特征之間關(guān)系的方法。它采用電子背散射衍射法對(duì)平板試樣表面及截面進(jìn)行晶體取向分析，結(jié)合對(duì)應(yīng)區(qū)域的超聲A掃描信號(hào)，建立單個(gè)奧氏體晶粒中不同鐵素體晶粒特征與聲衰減系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：建立鑄造奧氏體不銹鋼中鐵素體晶粒特征與超聲信號(hào)特征之間關(guān)系的方法，其特征是：利用宏觀金相法選取鑄造奧氏體不銹鋼的柱狀?yuàn)W氏體晶粒區(qū)，并沿垂直于柱狀?yuàn)W氏體晶粒生長方向切取薄板試樣；利用電子背散射衍射法測定薄板試樣表面區(qū)域的奧氏體晶粒晶體取向分布，并利用超聲脈沖回波法測定對(duì)應(yīng)區(qū)域的A掃描信號(hào)；對(duì)上述區(qū)域沿厚度方向解剖并利用電子背散射衍射法測定奧氏體和鐵素體晶粒的晶體取向分布；選取沿板厚方向?yàn)閱蝹€(gè)奧氏體晶粒的位置，建立鐵素體晶粒特征與聲衰減系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體步驟如下：

（1）利用高氯酸溶液對(duì)鑄造奧氏體不銹鋼管道壁厚方向截面進(jìn)行腐蝕，獲取樣品沿壁厚方向上宏觀組織；

（2）確定柱狀?yuàn)W氏體晶粒位置，并沿垂直于其生長方向切取厚度約為1.0 mm的薄板試樣；

（3）對(duì)步驟（2）中試樣打磨拋光后進(jìn)行振動(dòng)拋光，去除表面殘余應(yīng)力；利用電子背散射衍射法測定試樣表面的奧氏體晶粒晶體取向分布；

（4）基于三軸水浸超聲C掃描系統(tǒng)和超聲脈沖回波法對(duì)步驟（3）中分析區(qū)域采集A掃描信號(hào)，聲波垂直試樣表面入射；

（5）對(duì)步驟（4）中分析區(qū)域沿薄板厚度方向?qū)Τ曅盘?hào)采集位置進(jìn)行解剖，重復(fù)步驟（3），并測定鐵素體晶粒的長度、長徑比、晶體取向和與超聲入射方向夾角的平均值；

（6）選擇步驟（5）中沿薄板厚度方向?yàn)閱蝹€(gè)奧氏體晶粒的位置，計(jì)算步驟（4）中對(duì)應(yīng)位置的聲衰減系數(shù)，并建立其與步驟（5）中鐵素體晶粒特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，聲衰減系數(shù)

（1）

其中d 為被測材料厚度，B₁，B₂分別為一次底面回波、二次底面回波的波高。

本發(fā)明的有益效果是：通過截取柱狀?yuàn)W氏體晶粒試樣，能夠建立鐵素體晶粒特征與超聲信號(hào)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與制備單一鐵素體、奧氏體晶粒的方法相比，本發(fā)明并未改變CASS原有的組織環(huán)境，也未改變原始組織對(duì)應(yīng)的成分和性能，避免了奧氏體晶粒彈性各向異性對(duì)超聲A掃描信號(hào)的影響，為闡明鑄造奧氏體不銹鋼中的超聲波傳播機(jī)理、提高微小缺陷和損傷的檢測能力提供支持。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是Z3CN20.09M鋼試樣宏觀組織。

圖2是Z3CN20.09M鋼薄片狀試樣。

圖3是試樣表面晶粒晶體取向分布圖。

圖4是試樣截面晶粒晶體取向分布圖。

圖5是試樣截面A、B兩個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的鐵素體晶粒形態(tài)分布。

圖6是試樣表面A、B兩個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的超聲A掃描信號(hào)。

圖7是試樣表面A、B兩個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的聲衰減系數(shù)。

具體實(shí)施方式

（1）利用高氯酸溶液對(duì)Z3CN20-09M鋼管道壁厚方向截面進(jìn)行腐蝕，獲取樣品宏觀組織，并判斷柱狀?yuàn)W氏體晶粒位置，如圖1所示；

（2）采用線切割方法垂直于柱狀?yuàn)W氏體晶粒生長方向截取試樣，試樣形狀如圖2所示,試樣厚度約為1.0mm；

（3）先用砂紙把試樣打磨至1200#，再用粒度為1.5的金剛石研磨膏拋光，然后在Buller Vibrome-2型振動(dòng)拋光機(jī)上振動(dòng)拋光2h，以去除表面殘余應(yīng)力。最后利用Zeiss Supra 55場發(fā)射掃描電鏡和Oxford電子背散射衍射分析儀采集圖2a中虛線所示區(qū)域晶體取向。測試步長為10，放大倍數(shù)為200×，獲得表面法向的晶粒晶體取向分布，如圖3。圖中點(diǎn)A、B等區(qū)域均為<101>及相近取向，只有少數(shù)晶粒取向?yàn)榻?lt;001>取向；

（4）基于三軸水浸超聲C掃描系統(tǒng)對(duì)（3）中分析區(qū)域采集A掃描信號(hào)，探頭標(biāo)稱頻率為30MHz，聲波垂直試樣表面入射，步進(jìn)式采點(diǎn)，間距為0.1mm，共采集120點(diǎn)；

（5）對(duì)圖2a試樣沿超聲采集線進(jìn)行解剖得到圖2b。重復(fù)（3）中電子背散射衍射制樣及測試過程，獲取其截面的晶粒取向分布，如圖4?？芍?，A、B區(qū)域表面與截面處為同一取向，即<101>取向，且厚度上為同一個(gè)晶粒。同時(shí)，奧氏體晶粒內(nèi)的鐵素體晶粒晶體取向一致，均為<106>取向。利用激光共聚焦顯微鏡獲取截面A、B區(qū)域的鐵素體晶粒形貌，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)：A區(qū)域鐵素體晶粒呈長條狀，與聲波入射方向夾角較小，B區(qū)域鐵素體晶粒多呈顆粒狀，與聲波入射方向夾角較大。進(jìn)一步定量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：A區(qū)域鐵素體晶粒平均長度為189±108，平均長徑比為9.3±6.4，與聲波入射方向平均夾角為31±13°；B區(qū)域鐵素體晶粒平均長度為57±49，平均長徑比為4.7±3.9，與聲波入射方向平均夾角為68±14°（偏差均為標(biāo)準(zhǔn)差）；

（6）圖5為A、B區(qū)域代表性的時(shí)域波形，讀取一次底面回波、二次底面回波的波高，根據(jù)公式（1）計(jì)算A、B區(qū)域的聲衰減系數(shù)。圖6為A、B區(qū)域內(nèi)的聲衰減系數(shù)結(jié)果。其中A區(qū)域平均聲衰減系數(shù)為3.44±0.04dB/mm，而B區(qū)域平均聲衰減系數(shù)為3.70±0.05dB/mm。由于A、B區(qū)域均為<106>取向鐵素體晶粒，且厚度方向上為單個(gè)近<101>取向奧氏體晶粒，僅鐵素體晶粒長度、長徑比及與超聲入射方向的夾角不同，因此可以判斷聲衰減系數(shù)的差別是由鐵素體晶粒差異造成的。