17-4PH不銹鋼熱老化的磁多參數(shù)無(wú)損評(píng)估

褚英杰，孫 琦，李乾武，史芳杰，黃 飛，楊廣宇

(1.福建寧德核電有限公司，寧德 352000;2.蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215000)

17-4PH(05Cr17Ni4Cu4Nb)馬氏體不銹鋼因具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于核電廠的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)部件。17-4PH不銹鋼在高溫服役時(shí)會(huì)產(chǎn)生Cu顆粒析出、調(diào)幅分解、二次碳化物析出等現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致材料的沖擊功下降，硬度上升，脆性增加[2]，增加了材料的脆性斷裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)17-4PH不銹鋼的熱老化評(píng)估具有重大意義。

不銹鋼或者合金鋼在熱老化過(guò)程中，因微觀組織的變化，其磁性能也會(huì)有相應(yīng)的變化。BHATTACHARYA等[3-4]研究了磁巴克豪森噪聲(MBN)與17-4PH不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。其將17-4PH不銹鋼進(jìn)行短時(shí)效熱老化以后，發(fā)現(xiàn)Cu沉淀增多，且Cu的沉淀可有效降低巴克豪森噪聲的峰值。GUPTA等[5]研究了不同時(shí)效階段下蠕變對(duì)12CrMoWV高溫合金鋼的增量磁導(dǎo)率的影響，結(jié)果表明，在550 ℃與650 ℃的不同時(shí)效下，增量磁導(dǎo)率曲線呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

由于17-4PH不銹鋼熱老化過(guò)程中微觀組織變化的復(fù)雜，磁性無(wú)損檢測(cè)在17-4PH不銹鋼熱老化評(píng)估的工程應(yīng)用上具有一定的難度。筆者在研究馬氏體不銹鋼熱老化后磁性變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，比較了不同磁參數(shù)無(wú)損檢測(cè)方法的評(píng)估效果，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為沉淀硬化馬氏體不銹鋼熱老化無(wú)損評(píng)估提供更可靠精確的方法。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)象為某電廠的主蒸汽隔離閥閥桿，其材料為17-4PH不銹鋼，其材料成分如表1所示。

表1 17-4PH不銹鋼材料成分 %

為了模擬不同服役時(shí)間17-4PH不銹鋼熱老化的變化，同時(shí)縮短試驗(yàn)周期，在350 ℃下進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn),具體加熱時(shí)間為0,100,300,500,1 000,2 000,3 000 h，共計(jì)7組樣品。對(duì)加速熱老化后的樣品進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和磁參數(shù)測(cè)量。其中，沖擊試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007的金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法要求，在JB-W450E-L型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)；按照GB/T 231.1-2009的金屬材料布氏硬度試驗(yàn)方法測(cè)試材料的布氏硬度；采用LakeShore公司的VSM(振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì))平臺(tái)測(cè)試磁滯回線，樣品尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 mm×1 mm×3 mm；使用3 MA(多參數(shù)微磁顯微組織應(yīng)力分析儀)進(jìn)行磁多參數(shù)測(cè)試，各磁參數(shù)如表2所示。

表2 3MA測(cè)得的磁參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)加速熱老化后的試驗(yàn)樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)與硬度測(cè)試，得到樣品沖擊功和硬度的變化趨勢(shì)如圖1所示。結(jié)果表明，17-4PH不銹鋼在熱老化后，沖擊功呈下降趨勢(shì)，而硬度呈上升趨勢(shì)。大量研究表明調(diào)幅分解是導(dǎo)致17-4PH不銹鋼脆性增加最主要的原因[6]。

圖1 17-4PH不銹鋼熱老化后沖擊功與硬度的變化趨勢(shì)

2.2 磁參數(shù)測(cè)量結(jié)果

2.2.1 單一參數(shù)測(cè)量結(jié)果

通過(guò)VSM測(cè)得不同樣品的磁滯回線如圖2所示(1 T=104G, 1 emu=10-3A·m2)。由于17-4PH不銹鋼是軟磁材料，所以磁滯回線細(xì)長(zhǎng)，磁滯損耗較小,即使在熱老化3 000 h后，17-4PH不銹鋼仍具有較低的矯頑力與磁滯損耗。這是因?yàn)椴牧显?50 ℃下進(jìn)行加速熱老化，該溫度遠(yuǎn)低于純鐵的居里溫度[7]與常見(jiàn)鐵碳化合物的平均居里溫度[8]，所以材料的磁性不會(huì)發(fā)生明顯的變化。17-4PH不銹鋼樣品的矯頑力與磁滯損耗隨熱老化時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖2 不同熱老化樣品的磁滯回線

圖3 不銹鋼樣品的矯頑力與磁滯損耗隨熱老化時(shí)間的變化趨勢(shì)

由圖3可知，材料的矯頑力最大波動(dòng)范圍不超過(guò)3 A·m-1，而磁滯損耗的最大波動(dòng)幅度不超過(guò)0.000 7 J，同時(shí)呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化趨勢(shì)。3MA也對(duì)樣品的矯頑力進(jìn)行了測(cè)試，得到矯頑力隨熱老化時(shí)間的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)。由圖4可知，矯玩力也呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)。

圖4 矯頑力隨熱老化時(shí)間的變化趨勢(shì)(3MA測(cè)試結(jié)果)

2.2.2 磁多參數(shù)測(cè)試結(jié)果

單一磁參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，17-4PH不銹鋼在熱老化過(guò)程中的矯頑力變化不大，而且呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律性的變化趨勢(shì)，無(wú)法有效表征17-4PH不銹鋼在熱老化過(guò)程中力學(xué)性能的變化規(guī)律?；诖哦鄥?shù)，通過(guò)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以得到磁多參數(shù)與17-4PH不銹鋼的硬度、沖擊功之間的評(píng)估模型，并將模型評(píng)估的材料力學(xué)性能與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)選取結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，輸出層為線性神經(jīng)元，輸入測(cè)得的25個(gè)磁參數(shù)，選擇隱藏層的激勵(lì)函數(shù)為tansig函數(shù)(將磁參數(shù)作為n，代入函數(shù))，其表達(dá)式為

(1)

選取合適的隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)，以L-M算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。沖擊功與硬度的模型評(píng)估結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 沖擊功與硬度的模型評(píng)估結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系曲線

經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，可得到一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將待評(píng)估材料的25個(gè)磁性參量作為輸入，輸出結(jié)果為材料的力學(xué)性能評(píng)估結(jié)果。

結(jié)合圖3與圖5可知，即使在單一參數(shù)無(wú)規(guī)律的情況下，也可通過(guò)大量的磁多參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立起精度較高的評(píng)估模型。

3 分析與討論

3.1 隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)模型的影響分析

隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)模型的影響有：① 節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)影響模型的運(yùn)算速度，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多計(jì)算時(shí)間就越長(zhǎng);② 節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，擬合效果越好，超過(guò)一定數(shù)目，會(huì)出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象。因此，需要選取合適的節(jié)點(diǎn)數(shù)目以保證良好的擬合效果。

圖6為節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為10，30，50，70時(shí)擬合誤差柱狀圖(強(qiáng)度表示誤差在每個(gè)區(qū)間分布的統(tǒng)計(jì)相對(duì)數(shù)量，無(wú)量綱)，在10節(jié)點(diǎn)和30節(jié)點(diǎn)時(shí)，誤差分布呈正態(tài)分布。對(duì)于10節(jié)點(diǎn)模型，較多誤差均分布在0誤差線兩側(cè)；在擬合節(jié)點(diǎn)超過(guò)30以后，誤差多數(shù)分布在0誤差線左右；50節(jié)點(diǎn)與70節(jié)點(diǎn)模型的誤差分布類似，此時(shí)再增加節(jié)點(diǎn)數(shù)的效果已經(jīng)不明顯了。為了進(jìn)一步研究節(jié)點(diǎn)數(shù)增加對(duì)擬合效果的影響，可分析擬合度隨隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖7)。

圖6 不同隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的誤差柱狀圖

圖7 擬合度隨隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化趨勢(shì)

一般來(lái)說(shuō)，選取節(jié)點(diǎn)數(shù)可根據(jù)輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)大致確定，而多數(shù)情況下需要研究節(jié)點(diǎn)數(shù)與擬合效果之間的關(guān)系來(lái)得到最優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。由圖7可知，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，訓(xùn)練值的擬合效果越好，但是對(duì)新出現(xiàn)的樣本的適應(yīng)性卻下降，無(wú)法較好地?cái)M合，也就是說(shuō)隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)在超過(guò)一定限值后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合效果反而會(huì)下降。

3.2 訓(xùn)練算法對(duì)模型的影響分析

常用的訓(xùn)練算法有：L-M算法；貝葉斯正則化算法；量化共軛梯度算法。L-M算法使用一種廣泛的非線性最小二乘算法，通過(guò)對(duì)待測(cè)參數(shù)作線性近似，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最小二乘問(wèn)題，因而計(jì)算量相對(duì)較少，可很快地達(dá)到收斂狀態(tài)；貝葉斯正則化在基于L-M算法的基礎(chǔ)上，更新優(yōu)化權(quán)重和偏置，生成普適性更強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；量化共軛梯度算法基于共軛方向，具有收斂快，占用內(nèi)存小等特點(diǎn)。筆者分別從算法運(yùn)算速度，擬合效果兩方面綜合比較3種模型。

選擇隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)為40，分別以3種算法建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，比較3種算法的特性，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 3種算法的對(duì)比

綜合分析來(lái)看，L-M算法計(jì)算所需時(shí)間較短，且模型的擬合度較高，因此L-M算法在實(shí)際應(yīng)用中更為實(shí)用。貝葉斯正則化迭代次數(shù)需要到1 000次時(shí)結(jié)果才收斂，而L-M算法和量化共軛梯度算法分別在60次和7次迭代后收斂，在一定程度上保證了結(jié)果不會(huì)過(guò)擬合。

基于磁多參數(shù)，可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以給出磁性參數(shù)與力學(xué)性能之間的描述模型，且評(píng)估速度快。

4 結(jié)論

(1) 17-4PH不銹鋼在熱老化后，沖擊功下降，硬度上升，說(shuō)明熱老化導(dǎo)致其脆性增加。

(2) 單一的磁參數(shù)測(cè)量結(jié)果表明，17-4PH不銹鋼在350℃下熱老化后，其矯頑力、磁滯損耗均在小范圍內(nèi)波動(dòng)，且呈無(wú)規(guī)律變化，說(shuō)明單一的磁參數(shù)測(cè)量方法不適用于評(píng)估17-4PH不銹鋼的熱老化。

(3) 基于磁多參數(shù)，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可建立評(píng)估17-4PH不銹鋼熱老化的模型，其評(píng)估效果較好，可以解決單一磁參數(shù)無(wú)法評(píng)估17-4PH不銹鋼熱老化的問(wèn)題。在應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立17-4PH不銹鋼評(píng)估模型時(shí)，需要選取合適的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)及合適的算法，可有效提升建模效率，得到較好的精度。