利用磁声信息融合方法对12Cr1MoVG耐热钢性能退化的特征进行分析

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Characterization of performance degradation of 12Cr1MoVG heat-resistant steel driven by magnetic-acoustic information fusion method

　　

沈正祥|杨涛|郭伟灿|钱胜杰|韩嘉豪|王晓华|曹志峰

宁波特种设备检测研究院，中国宁波315048

摘要

耐热钢在高温服役过程中可能会发生微观结构退化，从而导致其机械性能发生变化。本文采用一种基于磁性和超声信息的复合无损检测方法，研究了12Cr1MoVG钢在400–800°C温度下经过50至200小时加速老化处理后的退化行为。同时，通过扫描电子显微镜和原子力显微镜观察了金属组织和磁畴结构的变化，并通过仪器压痕测试评估了相应的机械性能，包括硬度、强度和断裂韧性。结合磁性和超声技术的测量参数对于全面了解12Cr1MoVG钢的机械性能非常有益。具体而言，磁矫顽力随老化温度呈现先上升后平稳再下降的趋势，而在老化时间上则呈现先上升后下降的趋势，在600°C和100小时时达到峰值，这主要是由于碳化物沉淀和不同深度处的磁畴演变所致。然而，非线性超声参数对界面损伤非常敏感，其变化趋势与老化温度和时间相反，这是由于碳化物与基体之间的晶格失配造成的。由于材料不同深度处会产生磁声信息，因此融合多场数据可以提高无损检测技术全面表征热老化损伤引起的微观结构变化的能力。

引言

12Cr1MoVG钢是一种常见的珠光体耐热合金钢，常用于电站锅炉、超临界管道和压力容器等关键承重部件的核心材料。在高温环境下长期服役时，这种耐热合金钢可能会发生热老化或球化现象，从而导致灾难性事故[1]。热老化本质上是一个复杂的过程，由微观结构损伤和机械性能恶化驱动，其根源是高温下原子扩散引起的不可逆过程，最终表现为机械性能下降和使用寿命缩短。

与传统的破坏性测试方法（如硬度、屈服强度和抗拉强度测试）相比，磁性和超声无损检测（NDT）技术能够定量评估高温部件在服役过程中的性能退化，并具有以下优势：被检测的材料不会受到破坏，并且可以在工业规模上重复这些方法以实现实时监测[2]、[3]。因此，开发此类无损检测技术具有重要意义。

材料的磁特性评估基于检测与其微观结构和应力状态密切相关的不同磁性质，这使得它们非常适合用于评估关键部件的完整性。Ma等人[4]研究了12Cr1MoVG钢在高温环境下的磁矫顽力、球化程度和服务时间之间的关系，并结合了金相检查、硬度测试和机械测试。Rabung等人[5]系统地描述了微磁检测方法在表征耐热铁素体钢热老化过程中不同类型微观结构损伤方面的适用性。Mohapatra等人[6]利用磁滞回线和巴克豪森发射技术研究了5Cr–0.5Mo钢在600°C下不同时间的老化行为，结果表明磁学结果与样品的微观结构密切相关。此外，非线性超声技术已成为基于材料原子晶格缺陷内在非线性的潜在无损评估工具。Seok和Koo[7]综合评估了1Cr-1Mo-0.25V耐热钢的性能退化，建立了超声衰减系数、电阻率和抗拉强度以及断裂韧性指数之间的相关性。Santos等人[8]结合超声和涡流检测技术实现了对P235GH管道轨道焊缝在高温条件下的在役检测。Guo等人[9]采用磁声复合检测技术评估了12CrMoV耐热钢的热老化脆性行为。显然，与单一无损检测方法相比，磁声技术的融合提高了对耐热钢热老化的定量评估能力。Da Silva等人[10]采用超声无损检测方法结合三种机器学习模型检测了HP Cr25Ni35Nb耐热钢管的早期碳化损伤，结果表明超声检测与机器学习结合的碳化检测准确率高达99.2%。总之，金属的热老化本质是原子迁移行为和多尺度微观结构的演变，这些过程由热激活驱动，从而导致宏观性能的不可逆恶化。显然，单一的无损检测技术往往无法提供关于材料退化的全面信息。通过整合多种无损检测技术，可以更全面、更连贯地评估热损伤及其对材料机械和磁性能的影响，从而避免因单一技术的漏检或误判而导致的故障[11]、[12]。

本文对12Cr1MoVG钢进行了不同温度和持续时间下的热老化测试，尝试结合磁矫顽力测量和非线性超声检测来从内部和表面两个维度表征材料因高温暴露而发生的退化过程。此外，还利用扫描电子显微镜观察和压痕机械测试来验证材料在不同条件下的微观结构和性能变化，旨在为高温结构部件的热损伤提供一种新的在线定量评估技术。

节摘

改进的Jiles–Atherton磁滞模型

一般来说，所有铁磁材料都可以通过外加时变磁场磁化，外加磁场H与产生的磁感应B之间的非线性和饱和特性可以用磁滞回线来描述，该回线可以通过经典的Jiles-Atherton（JA）模型进行预测，该模型考虑了磁体中的磁畴运动。具体而言，铁磁物质的总磁化强度M是...

材料

测试材料取自12Cr1MoVG钢管，通过线切割加工制备了十个尺寸为120mm×30mm×10mm的板材样品。所有样品均经过表面抛光处理，相应的化学成分列于表1中。对这些板材样品进行了高温老化处理，相关参数见表2。这种热处理过程旨在使样品发生退化，以便后续...

微观结构

众所周知，12Cr1MoVG钢的原始微观结构由铁素体基体（55–67%）、团状珠光体（30–42%）和原始碳化物或非金属夹杂物（3–4.7%）组成[22]。在高温下长时间老化过程中，原子扩散和沉淀机制会被激活并改变钢材的微观结构。然而，需要注意的是，12Cr1MoVG钢在400°C以下珠光体的球化和分解现象非常微弱...

结论

为了准确评估耐热钢的热老化，首次采用了磁矫顽力和非线性超声无损检测技术，从材料内部和表面两个维度全面表征了12Cr1MoVG钢在400–800°C温度范围和50–200小时老化时间范围内的微观结构演变。同时，还研究了微观结构、磁畴结构...

CRediT作者贡献声明

沈正祥：撰写——初稿。杨涛：方法论。郭伟灿：验证。钱胜杰：数据整理。韩嘉豪：项目管理、调查。王晓华：撰写——审稿与编辑。曹志峰：可视化、软件处理。

[16], [17]

宁波市自然科学基金（项目编号：2024J070）和中国宁夏回族自治区自然科学基金（项目编号：2026AAC030961）对本研究的财务支持。