奥氏体不锈钢组织超声无损评价研究

论文摘要

奥氏体不锈钢是以铬、镍为主要合金元素,碳在γ相中的固溶体,它具有良好的耐腐蚀性和低温韧性、强抗高温蠕变能力、不存在脆性转变温度等优点,广泛用于制作要求良好综合性能的设备和机件。在高温环境中使用的部件,晶粒会不断长大,出现蠕变损伤,强度降低;在腐蚀环境中使用的部件,腐蚀介质会导致部件产生腐蚀。所以为了保证设备安全,必须进行晶粒度测量和壁厚测量。金相法是常规测量晶粒尺寸的一种破坏性方法,工序多、周期长,不适合在役设备检测。本论文针对奥氏体不锈钢的单一奥氏体相特点,将任何声速的变化归因于晶粒度的变化,利用传播速度和衰减这两个材料超声表征可测参量,研究奥氏体不锈钢平均晶粒尺寸与超声声速和衰减之间的关系,实现奥氏体不锈钢组织的超声无损评定,为在役奥氏体不锈钢制件监测提供一种无损、快速、全面的检测手段。本论文先从材料学和超声学的角度对试样材质和尺寸进行选择和设计,然后对0Cr18Ni9不锈钢试样进行固溶处理(分空冷和水淬两种冷却情况)和金相试验,采用500mm测量网格截点法测量试样的平均晶粒尺寸,最后利用超声声速法、相对衰减法和频谱分析法对试样进行晶粒尺寸超声评价研究,并结合金相法建立奥氏体不锈钢组织与超声信号的关系。结果表明:(1)固溶温度升高,或者同一固溶温度下,增加保温时间,晶粒尺寸增大;在其他条件一定时,水淬条件下晶粒尺寸长大速度比空冷条件下的快。(2)晶粒尺寸增大,声速减小。水淬条件下奥氏体不锈钢平均晶粒尺寸与超声声速呈一次指数衰减关系,空冷条件下呈线性关系。(3)对于不同晶粒尺寸的奥氏体不锈钢, f一定时,晶粒愈粗大,组织愈不均匀,声波衰减也愈大,且衰减系数和平均晶粒尺寸之间的关系符合三次多项式。(4)奥氏体晶粒尺寸不同时,相邻晶粒之间的声阻抗不同,对超声波的散射也不同。晶粒越大,散射越严重,回波频谱的频率随晶粒尺寸的增大而降低,结构噪声频谱的频率随晶粒尺寸的增大而增大。能谱点分析发现固溶温度升高,或者同一固溶温度下,增加保温时间,固溶度增加,溶质原子溶入溶剂使溶剂的晶格常数改变,从而导致晶格发生畸变,降低了原子之间的结合力,导致弹性模量E降低。位错、孪晶等晶体缺陷的阻尼效应也降低了声波的传播速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 材料组织评价方法
• 1.3 超声评价技术国内外研究现状
• 1.4 本课题研究内容
• 第2章 奥氏体不锈钢组织的超声评价理论
• 2.1 奥氏体不锈钢组织结构定量基础
• 2.1.1 奥氏体的组织形貌
• 2.1.2 奥氏体晶粒长大
• 2.1.3 组织结构定量参数
• 2.2 奥氏体不锈钢的超声检测
• 2.2.1 超声声速
• 2.2.2 超声波在介质中的衰减
• 2.2.3 超声检测的频率特性
• 2.2.4 超声波垂直入射到平界面上的反射、透射和散射
• 2.2.5 超声波在奥氏体不锈钢中的传播特性
• 2.3 超声波在固体中的散射理论
• 2.3.1 无限大固体中超声波传播的基本运动方程
• 2.3.2 无限大固体中超声波遇到障碍物时散射的基本运动方程
• 2.3.3 非均匀介质中超声波的散射
• 2.4 超声评价的声学性能参数
• 第3章 奥氏体不锈钢的平均晶粒尺寸测量
• 3.1 试样设计及制备
• 3.1.1 试样尺寸的确定
• 3.1.2 试样加工制备
• 3.2 金相分析
• 3.2.1 金相试样的磨光与抛光
• 3.2.2 金相组织显示
• 3.3 奥氏体不锈钢晶粒测定
• 3.3.1 奥氏体不锈钢晶粒的测定
• 3.3.2 误差分析
• 3.3.3 测量结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 奥氏体不锈钢的声速测量实验
• 4.1 声速测量理论
• 4.2 声速测量实验
• 4.2.1 测量仪器
• 4.2.2 测量结果及分析
• 4.2.3 误差分析
• 4.2.4 晶粒尺寸和声速之间的关系研究
• 4.3 能谱分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 奥氏体不锈钢的晶粒衰减特性分析
• 5.1 衰减特性分析原理
• 5.2 衰减特性分析实验
• 5.3 测量结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 奥氏体不锈钢超声散射频谱特性分析
• 6.1 频谱分析原理
• 6.1.1 傅里叶变换
• 6.1.2 频域分析
• 6.2 频谱分析实验
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况
• 致谢