化学热处理的无损检测技术优化

化学热处理是指改变金属零件表面层的化学成分，以获得预期的组织和性能的一种表面热处理。它用于提高制件表面硬度、耐磨性和疲劳性能、物理和化学性能（如抗氧化、耐酸蚀、耐蚀性等）。渗入元素有金属和非金属，如渗铝、渗铬、渗碳、渗氮等。显然，用无损方法测量表面硬化层的厚度（硬化深度）是重要的。

1.渗碳钢（硬化层）的涡流法无损检测

在层状导体中，通常采用瞬态激发，涡流探头可显示有漫射的脉冲回波响应。

渗碳钢（硬化层）的涡流法采用两个涡流探头。其中，线圈C₁和C₂的参数如表11.8-1所示。一个探头放在未经硬化的试样上，另一个放在经渗碳的试样上。两线圈是串联的，用一规则系列的脉冲电流激励，采用恒定的电流而不采用恒定电压作激励，优点是可使主磁场不受由于温度变化而引起线圈电阻变化的影响。两线圈的输出信号电压被相减而后放大。探头与试样的接触应保持稳定一致。当探头放在试样上时，由于线圈温度的下降会导致线圈电阻的下降，因此有必要等待数秒钟，直到记录数据之前，装置已达到热稳定状态。

表11.8-1 线圈C₁和C₂的参数

图11.8-22所示为用线圈C₁和C₂测得的表面硬化层的归一化脉冲响应。为使提离对信号的影响减到最小，检测结果被归一化到一固定的幅度。从这些结果可清楚看到，硬化层越深，不平衡信号越宽，而脉冲信号高度为峰值一半处的宽度与硬化深度的关系如图11.8-23所示。由此可见，表面层性能的变化是可从瞬态信号的起始部分来检测的。

图11.8-22 用线圈C₁和C₂测得的表面硬化层的归一化脉冲响应

图11.8-23 脉冲信号高度为峰值一半处的宽度与硬化深度的关系(www.xing528.com)

2.渗碳钢零件中硬化层深度的超声波评定

表面渗碳是将碳扩散到试样中形成一碳含量有一梯度的层。在本节中，硬化层深度定义为碳含量到达0.5%碳量级的深度，为保证工程制件有合适的表面特性，测量在表面下硬化层的深度是重要的。近年来，最广为使用的方法是超声波法。

超声瑞利波透入表面的深度约为一个波长，而波长与频率有关。这样，通过测量传播速度与波频率的关系，是可以研究在不同深度处的材料性能的。

图11.8-24所示为在电磁声换能器的三种频率下，对于0.5%碳含量硬化层，深度与瑞利波速度的关系（误差棒为±30）。可以看到，对于一给定的频率，厚度的有效测量约在超声波波长的1/3处。例如对于1MHz、750kHz和500kHz的频率，最好是用于硬化层深度分别为0.04in、0.06in和0.08in（1in=25.4mm）的测量。

高频检测的局限性如图11.8-25所示。在整个硬化范围内群速度与硬化层深度的关系表明，只是在低的频率（500kHz）下，相关系数有线性特点（R²=0.9752）；而对于750kHz和1MHz的频率，相关系数是低的，分别为R²=0.845和R²=0.690，这应归因于在深硬化区的非线性。

图11.8-24 在电磁声换能器三种频率下，对于0.5%碳含量硬化层，深度与瑞利波速度变化的关系（误差棒为±30）

图11.8-25 在电磁声换能器三种频率下，对于0.5%碳含量硬化层，在整个硬化范围内群速度与硬化层深度的关系