铁铬铝合金裂纹产生时的声发射

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.06.019 第18卷第6期 北京科技大学学报 Vol.18 No.6 1996年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1996 铁铬铝合金裂纹产生时的声发射 蔡家敏尹红 北京科技大学物理系，北京100083 摘要通过声发射及扫描电镜技术，研究了铁铬铝合金裂纹形成的条件，结果表明，合金中热应 力可产生微裂纹：内应力的存在以及环境氢的海人，通常使盘条产生纵向裂纹：合金的失效过程 是一个通过声发射释放能量的过程 关键词声发射，裂纹形成，内应力，铁铬铝合金 中图分类号TG115.2 具有b©c结构的铁铬铝高电阻电热合金，在工业中已广泛使用.围绕合金的晶粒度四、亚 稳碳化物析出2)以及富铬α'相析出1，)等导致合金变脆问题已经进行了大量的研究.近年 来，合金盘条中常出现纵向开裂现象，本文通过声发射研究热应力以及氢环境引起合金中裂 纹的形成条件，同时对合金失效破坏问题进行了讨论. 1试验 合金的化学组成（质量分数）为Fe-24.1%Cr-5.38%A1,并含有0.028%C,0.32%Si, 0.216%P,0.04%S以及0.05%RE(混合稀土).从中8mm热轧盘条上截取的试样，经1200℃ 保温1h冷至800℃淬火作为基态.通过声发射研究试样从室温冷至-72℃由于热应力导致 合金开裂的全过程.试验中采用SF1-1型单通道声发射测定仪以及12KC探头，通过换能器振 铃计数给出计数率；把上述信号记录在x一y函数记录仪上，把记录下的曲线作为裂纹形成 的判据.实验中，在大约长300mm待测试样一端，磨出光亮平整平面，用特制的隅合剂将探 头与试样粘接起来，同时用胶布固定，为了研究氢致开裂现象，同时将试样冷拔至不同直径， 研究其在酸性介质中合金开裂行为.试验使用的介质（体积分数）为16%H,SO,加5%NaC1的 水溶液.通过扫描电镜(SEM对合金裂纹形态进行研究. 2试验结果 将试样一端（约30mm长）激冷至干冰中，由于试样放热，在干冰中迅速形成一空洞，热 量通过辐射对流而传递.图1()给出试样在千冰中激冷时的声发射：当试样完全冷却后，迅 速将试样提至室温空气中，此过程中试样温度迅速上升，如1(6)所示；随时间延续声发射不 断出现，显示合金中裂纹也不断形成.如果将同一淬火态试样，在600℃长时间保温炉冷消除 1995-12-25收稿 第一作者女57岁副教授

第 18 卷 第 6期 1 9 9 6年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s i yt o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o gy B e ij in g V O L1 8 N 0 . 6 D e C . 1 9 9 6 铁铬铝合金裂纹产生 时的声发射 蔡家敏 尹 红 北京 科技 大学 物理 系 , 北 京 10 0 0 83 摘要 通 过声发射 及扫描 电镜 技术 , 研究 了铁铬铝合 金裂纹 形成 的条件 . 结果 表明 , 合 金 中热应 力可 产生微 裂纹 ; 内应力 的存 在 以 及 环境氢 的渗人 , 通常使 盘条产生 纵 向裂纹 ; 合金 的 失效过程 是一个通过声 发射释放 能量的过程 . 关键词 声 发射 , 裂纹形成 , 内应力 , 铁铬铝合金 中图分类号 T G 1 1 5 . 2 具有 b c 结构 的铁铬 铝 高 电阻 电热 合金 , 在 工 业 中 已广泛 使用 . 围绕合金 的 晶粒 度 1[] 、 亚 稳 碳 化 物 析 出 2[,s 〕以 及 富铬 a ` 相 析 出〔’ ,3] 等 导 致合 金 变 脆 问题 已 经 进 行 了大 量 的研 究 . 近 年 来 , 合金盘条 中常出现 纵 向开 裂现 象 , 本文通 过 声 发射 研究 热 应力 以 及 氢环 境 引起 合金 中裂 纹 的形 成条 件 , 同 时对合 金失 效破 坏 问题 进行 了 讨论 . 1 试验 合金 的化 学 组 成 (质 量 分 数 )为 eF 一 24 . 1% C r 一 5 . 38 % A l , 并 含 有 0 . 0 28 % C , 0 . 32 % iS , .0 2 16 % P , .0 04 % s 以 及 .0 05 % RE (混 合稀 土) . 从 中8 ~ 热轧 盘条上截 取 的试样 , 经 1 2 0 ℃ 保温 l h 冷 至 8 0 ℃ 淬 火作 为基 态 . 通过 声发 射研究试样 从 室温冷 至 一 72 ℃ 由于热 应力 导致 合 金 开裂 的全过程 . 试 验 中采 用 S FI 一 l 型 单通道 声 发射测 定仪 以及 12 K C 探头 , 通过 换能器振 铃 计 数给 出计 数 率 ; 把上 述 信 号记 录 在 x 一 y 函 数 记 录仪 上 , 把 记 录下 的 曲线 作 为裂 纹 形成 的判 据 . 实验 中 , 在 大 约 长 3 0 ~ 待测 试样 一 端 , 磨 出光 亮 平 整 平 面 , 用 特 制 的 隅合剂 将探 头 与 试样 粘 接起 来 , 同时 用胶 布 固定 . 为 了 研 究 氢致 开 裂现 象 , 同 时将 试样 冷 拔 至不 同直径 , 研究 其在酸 性介 质 中合 金开裂 行 为 · 试 验使用 的介质 (体积分数) 为 16 % H 2 5 0 4加 5 % N a CI 的 水溶 液 . 通过 扫描 电镜 ( S E M )对 合金 裂纹 形 态进行 研究 . 2 试验结果 将试 样 一端 (约 3 0 m m 长 ) 激 冷 至 干 冰 中 , 由于 试样 放 热 , 在 干 冰 中迅 速 形 成 一空 洞 , 热 量 通 过辐 射 对流 而 传递 . 图 l (a) 给 出试 样 在 干冰 中激冷 时 的 声发 射 ; 当试 样 完 全冷却后 , 迅 速将试样 提 至室 温 空气 中 , 此 过程 中试样 温 度 迅速 上 升 , 如 1 ( b) 所示 ; 随时 间延 续 声发 射不 断 出现 , 显示 合金 中裂纹 也不 断形 成 . 如果 将 同一淬火态 试样 , 在 6 0 ℃ 长时 间保温 炉 冷消 除 19 9 5 一 12 一 2 5 收稿 第 一作 者 女 5 7 岁 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 06. 019

第 18 卷 第 6期 1 9 9 6年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s i yt o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o gy B e ij in g V O L1 8 N 0 . 6 D e C . 1 9 9 6 铁铬铝合金裂纹产生 时的声发射 蔡家敏 尹 红 北京 科技 大学 物理 系 , 北 京 10 0 0 83 摘要 通 过声发射 及扫描 电镜 技术 , 研究 了铁铬铝合 金裂纹 形成 的条件 . 结果 表明 , 合 金 中热应 力可 产生微 裂纹 ; 内应力 的存 在 以 及 环境氢 的渗人 , 通常使 盘条产生 纵 向裂纹 ; 合金 的 失效过程 是一个通过声 发射释放 能量的过程 . 关键词 声 发射 , 裂纹形成 , 内应力 , 铁铬铝合金 中图分类号 T G 1 1 5 . 2 具有 b c 结构 的铁铬 铝 高 电阻 电热 合金 , 在 工 业 中 已广泛 使用 . 围绕合金 的 晶粒 度 1[] 、 亚 稳 碳 化 物 析 出 2[,s 〕以 及 富铬 a ` 相 析 出〔’ ,3] 等 导 致合 金 变 脆 问题 已 经 进 行 了大 量 的研 究 . 近 年 来 , 合金盘条 中常出现 纵 向开 裂现 象 , 本文通 过 声 发射 研究 热 应力 以 及 氢环 境 引起 合金 中裂 纹 的形 成条 件 , 同 时对合 金失 效破 坏 问题 进行 了 讨论 . 1 试验 合金 的化 学 组 成 (质 量 分 数 )为 eF 一 24 . 1% C r 一 5 . 38 % A l , 并 含 有 0 . 0 28 % C , 0 . 32 % iS , .0 2 16 % P , .0 04 % s 以 及 .0 05 % RE (混 合稀 土) . 从 中8 ~ 热轧 盘条上截 取 的试样 , 经 1 2 0 ℃ 保温 l h 冷 至 8 0 ℃ 淬 火作 为基 态 . 通过 声发 射研究试样 从 室温冷 至 一 72 ℃ 由于热 应力 导致 合 金 开裂 的全过程 . 试 验 中采 用 S FI 一 l 型 单通道 声 发射测 定仪 以及 12 K C 探头 , 通过 换能器振 铃 计 数给 出计 数 率 ; 把上 述 信 号记 录 在 x 一 y 函 数 记 录仪 上 , 把 记 录下 的 曲线 作 为裂 纹 形成 的判 据 . 实验 中 , 在 大 约 长 3 0 ~ 待测 试样 一 端 , 磨 出光 亮 平 整 平 面 , 用 特 制 的 隅合剂 将探 头 与 试样 粘 接起 来 , 同时 用胶 布 固定 . 为 了 研 究 氢致 开 裂现 象 , 同 时将 试样 冷 拔 至不 同直径 , 研究 其在酸 性介 质 中合 金开裂 行 为 · 试 验使用 的介质 (体积分数) 为 16 % H 2 5 0 4加 5 % N a CI 的 水溶 液 . 通过 扫描 电镜 ( S E M )对 合金 裂纹 形 态进行 研究 . 2 试验结果 将试 样 一端 (约 3 0 m m 长 ) 激 冷 至 干 冰 中 , 由于 试样 放 热 , 在 干 冰 中迅 速 形 成 一空 洞 , 热 量 通 过辐 射 对流 而 传递 . 图 l (a) 给 出试 样 在 干冰 中激冷 时 的 声发 射 ; 当试 样 完 全冷却后 , 迅 速将试样 提 至室 温 空气 中 , 此 过程 中试样 温 度 迅速 上 升 , 如 1 ( b) 所示 ; 随时 间延 续 声发 射不 断 出现 , 显示 合金 中裂纹 也不 断形 成 . 如果 将 同一淬火态 试样 , 在 6 0 ℃ 长时 间保温 炉 冷消 除 19 9 5 一 12 一 2 5 收稿 第 一作 者 女 5 7 岁 副教授

第 18 卷 第 6期 1 9 9 6年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s i yt o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o gy B e ij in g V O L1 8 N 0 . 6 D e C . 1 9 9 6 铁铬铝合金裂纹产生 时的声发射 蔡家敏 尹 红 北京 科技 大学 物理 系 , 北 京 10 0 0 83 摘要 通 过声发射 及扫描 电镜 技术 , 研究 了铁铬铝合 金裂纹 形成 的条件 . 结果 表明 , 合 金 中热应 力可 产生微 裂纹 ; 内应力 的存 在 以 及 环境氢 的渗人 , 通常使 盘条产生 纵 向裂纹 ; 合金 的 失效过程 是一个通过声 发射释放 能量的过程 . 关键词 声 发射 , 裂纹形成 , 内应力 , 铁铬铝合金 中图分类号 T G 1 1 5 . 2 具有 b c 结构 的铁铬 铝 高 电阻 电热 合金 , 在 工 业 中 已广泛 使用 . 围绕合金 的 晶粒 度 1[] 、 亚 稳 碳 化 物 析 出 2[,s 〕以 及 富铬 a ` 相 析 出〔’ ,3] 等 导 致合 金 变 脆 问题 已 经 进 行 了大 量 的研 究 . 近 年 来 , 合金盘条 中常出现 纵 向开 裂现 象 , 本文通 过 声 发射 研究 热 应力 以 及 氢环 境 引起 合金 中裂 纹 的形 成条 件 , 同 时对合 金失 效破 坏 问题 进行 了 讨论 . 1 试验 合金 的化 学 组 成 (质 量 分 数 )为 eF 一 24 . 1% C r 一 5 . 38 % A l , 并 含 有 0 . 0 28 % C , 0 . 32 % iS , .0 2 16 % P , .0 04 % s 以 及 .0 05 % RE (混 合稀 土) . 从 中8 ~ 热轧 盘条上截 取 的试样 , 经 1 2 0 ℃ 保温 l h 冷 至 8 0 ℃ 淬 火作 为基 态 . 通过 声发 射研究试样 从 室温冷 至 一 72 ℃ 由于热 应力 导致 合 金 开裂 的全过程 . 试 验 中采 用 S FI 一 l 型 单通道 声 发射测 定仪 以及 12 K C 探头 , 通过 换能器振 铃 计 数给 出计 数 率 ; 把上 述 信 号记 录 在 x 一 y 函 数 记 录仪 上 , 把 记 录下 的 曲线 作 为裂 纹 形成 的判 据 . 实验 中 , 在 大 约 长 3 0 ~ 待测 试样 一 端 , 磨 出光 亮 平 整 平 面 , 用 特 制 的 隅合剂 将探 头 与 试样 粘 接起 来 , 同时 用胶 布 固定 . 为 了 研 究 氢致 开 裂现 象 , 同 时将 试样 冷 拔 至不 同直径 , 研究 其在酸 性介 质 中合 金开裂 行 为 · 试 验使用 的介质 (体积分数) 为 16 % H 2 5 0 4加 5 % N a CI 的 水溶 液 . 通过 扫描 电镜 ( S E M )对 合金 裂纹 形 态进行 研究 . 2 试验结果 将试 样 一端 (约 3 0 m m 长 ) 激 冷 至 干 冰 中 , 由于 试样 放 热 , 在 干 冰 中迅 速 形 成 一空 洞 , 热 量 通 过辐 射 对流 而 传递 . 图 l (a) 给 出试 样 在 干冰 中激冷 时 的 声发 射 ; 当试 样 完 全冷却后 , 迅 速将试样 提 至室 温 空气 中 , 此 过程 中试样 温 度 迅速 上 升 , 如 1 ( b) 所示 ; 随时 间延 续 声发 射不 断 出现 , 显示 合金 中裂纹 也不 断形 成 . 如果 将 同一淬火态 试样 , 在 6 0 ℃ 长时 间保温 炉 冷消 除 19 9 5 一 12 一 2 5 收稿 第 一作 者 女 5 7 岁 副教授

·584· 北京科技大学学报 1996年No.6 冷拔合金丝热应力与变形带来的组织不均匀产生的应力交织在一起，通常在压缩比大的情况 下，合金丝表面是张应力，中心是压应力与之平衡；在致氢环境下，合金表面的铝原子与水 介质作用易产生氢并被金属所吸收1.室温下，氢在铁素体中扩散系数其数量级可达10-6~ 10-5cms.由于氢扩散速度很快，氢致开裂导致铁铬铝合金纵向裂纹形成时产生剧烈的声发 射，同时释放出相当的能量。 4结论 (1)铁铬铝合金在热应力作用下，易产生微裂纹，检测方法可采用声发射测量法， (2)室温下，内应力的存在，是引发铁铬铝合金氢致开裂的内在原因，通过纵向开裂，导致 合金时效破坏， 参考文献 1 Keown S R.Stainless Steels'87.New York:The Institute of Metals,1988.345 2 Spear W S,Polonis D H.Interstitial Precipitation in Fe-Cr-Al Alloys.Metall and Mater Trans A,1994,125A:1135~1145 3杜国维，曹慧泉，蔡家敏，马如璋，热循环过程铁铬铝合金中α'相沉淀.北京科技大学学报，1995,17(4)： 387~390 4 Kraese H.Stress Analysis in Wireo.Draht Welt,1978,64(11):428 5 Zhang Dezhi,Xiao Chimei,Du Guowei.Energetical Analysis of Sensitivity of Hydrogen Embrittle- ment of Ordered Alloys.Scripta Metal and Mater,1993,29:901 ~905 Acoustic Emission during Crack Formation in Fe-25Cr-5Al Alloy Cai Jiamin Yin Hong Department of Physics,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT The condition of crack formation in a Fe-25Cr-5Al alloy is investi- gated by acoustic emission and scanning electron microscopy techniques.The result shows that thermal stress induces to produce microcracks in the alloy.Because of the presence of internal stress and permeation of environmental hydrygen,the longitudinal cracks always occurred,and the failure of the alloy is a process of energy release showing by acoustic emission. KEY WORDS acoustic emission,crack formation,internal stress Fe-Cr-Al alloy

. 5 5 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 6年 N o . 6 冷拔 合金 丝热 应力 与 变形 带来的 组织不 均 匀产 生 的应力 交织 在 一起 , 通 常在 压缩 比大 的情 况 下 , 合 金 丝 表 面是 张应 力 , 中心是 压 应 力 与之 平衡’I] ; 在 致 氢环 境 下 , 合 金 表 面 的铝 原 子 与水 介质 作用 易 产生 氢并 被 金 属所 吸 收 5[] . 室温 下 , 氢在 铁 素体 中扩散 系数其 数量 级 可 达 10 一 6 一 10 一 5 c m sz/ . 由于氢 扩 散速度 很快 , 氢致 开裂 导致 铁铬铝合 金 纵 向裂纹 形成 时 产生剧 烈的 声发 射 , 同时释 放出相 当的能量 。 4 结论 ( l) 铁铬 铝合金在 热应力作 用 下 , 易 产生 微裂 纹 , 检 测方法 可采 用声 发射 测量 法 . ( 2) 室温 下 , 内应 力 的存在 , 是 引 发铁铬 铝合金氢 致开 裂 的 内在 原 因 , 通 过 纵向开裂 , 导致 合金 时效 破 坏 . 参 考 文 献 1 K e o w n 5 R . Sat in l e s s S t e e l s , 87 . N e w Y o kr : T h e I n s ti ut et o f M e at l s , 1 9 8 8 . 3 4 5 2 S P e ar W S , P o l o n i s D H . nI t e sr ti ti a l P r e e iP iat ti o n in F e 一 C r 一 A I A ll o y s . M e at ll an d M aet r T ar n s A , 1 9 9 4 , 1 2 5 A : 1 1 3 5 一 1 14 5 3 杜国维 , 曹慧泉 , 蔡家敏 , 马如璋 . 热循 环过程铁铬铝合金 中 a ’ 相沉 淀 . 北京科技大学 学报 , 19 95 , 1 7 (4) : 3 8 7 一 3 9 0 4 K注a e s e H . S etr s s A n a ly s i s in Wir e o . D ar h t We l t , 1 97 8 , 64 ( 1 1) : 4 2 8 5 Z h an g D e hz i , X i ao C h i m e i , D u G u o w e i . E n e gr e ti e a l nA a ly s i s o f S e n s i ti v i yt o f H y dr o g e n E m b ir t l e - m e n t o f o dr e r e d A ll o y s . S e ir Pat M e at l an d M at e r , 19 9 3 , 29 : 90 1 一 90 5 A e o u s t i e E m i s s i o n d u r i n g C r a e k F o mr at i o n i n F e 一 2 5 C r 一 SA I A l l o y C 口 1 iJ a m i n iY n H d n g D e P al 七 n e nt o f P h y s i e s , U S T B , B e ij in g 10 0 0 8 3 , P R C AB S T R A C T T h e e o n d i t i o n o f e ra e k fo rm at i o n in a F e 一 2 5 C r 一 S A I a ll o y 1 5 in v e s t i - g at e d b y a e o u s t i e e m i s s i o n an d s e a n n i n g e l e e tro n m i e r o s e o Py t e e lm iqu e s . T h e r e s u lt s h o w s ht at ht e rm a l s tr e s s i n d u e e s t o P r o du e e m i e ro e r a e k s in ht e a ll o y . B e e au s e o f t h e P r e s e n e e o f in t e m a l s tre s s an d P e rm e a t i o n o f e n v i r o n m e n ta l h y d ry g e n , th e l o n g i ut d i n a l e ar e k s a lw ay s o e e u r e d , an d th e fa il u r e o f ht e a ll o y 1 5 a P r o e e s s o f e n e r g y r e l e a s e s h o w in g b y a e o u s t i e e m i s s i o n . K E Y W O R D S a e o u s t i e e m i s s i o n , e ar e k fo mr a t i o n , i n t e m a l s tr e s s F e 一 C r 一 A I a ll o y