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钢锻件超声检测缺陷定性分析研究


在现代工业和日常生活的各个领域,钢锻件作为承受较大载荷的部件,因其组织结构、性能和经济性的优势得到广泛使用。在实际工程应用中,钢锻件承受复杂的应力、冲击振动和重负载荷。同时,钢锻件生产工序多、生产周期长,当质量控制环节出现失误,将导致最终产品中出现诸如白点、裂纹、缩孔、夹杂等缺陷。若工件中存在严重缺陷未被及时检出,轻则导致产品的报废、零件服役效能下降、使用寿命缩短,重则会危及人身安全,造成重大经济损失。因此,对钢锻件进行实时无损检测,提高其产品合格率,已成为提高工件质量、零件服役效能、保证设备安全的必然要求。超声波检测技术是探测钢锻件缺陷行之有效的手段,但相对于其他常用的无损检测方法,超声波检测对个人的技能素质要求相对较高,检测的结果受到个人的技能水平影响较大。超声波在实际检测过程中,需要对工件的检测和结论的评定同步完成,这就需要检测人员具备相当丰富的经验。在实际超声波检测工作中,操作人员经验的丰富与否决定着检测质量的高低。如果通过对常用的工件和材料模拟试块缺陷波形特征进行研究,归纳出一套超声波形特征曲线定性分析数据库,并应用于企业检测人员技能培训以及科研院所的技术研发等领域,是非常有意义的工作。

通过试验对钢锻件超声检测中常见的白点、裂纹、夹杂物等几个典型的缺陷类型进行了分析归纳并做出定性分析,将提供有效的缺陷评判依据。
1、试验方法及缺陷试块  

   本项目采用TS-2008C数字式超声探伤仪对含有典型缺陷的3块45号碳素钢锻件进行超声检测,根据超声探伤仪显示器回波曲线描述缺陷特征。3块锻件缺陷试块规格及所含缺陷类型如下:
 缺陷试块1是45号碳素钢锻件(ϕ300mm×200mm),包含缺陷类型为白点、横向裂纹;缺陷试块2是45号碳素钢锻件(ϕ100mm×300mm),包含缺陷类型为纵向裂纹、中心锻造裂纹;缺陷试块3是45号碳素结构钢锻件(100mm×100mm×200mm),包含缺陷类型为夹杂。

2、超声波探伤缺陷类型识别和性质估判 
  2.1 白点缺陷及波形特征

  白点一般认为是由于工件热处理过程中氢逸散不充分,残留在基体中而形成的。由于氢气的声学特性阻抗远远小于金属材料的声学阻抗。白点缺陷与基体材料的边界属于“软”边界,在软边界附近,反射波声压与入射波声压相位相差180°。图1为白点典型波形图,当有白点缺陷波为林状波,波峰清晰,尖锐有力,伤波出现位置与缺陷分布相对应,探头移动时伤波切换变化不快。降低探伤灵敏度时,伤波下降较低。波形变化慢,白点对底波反射次数影响较大,底波反射1~2次后甚至消失。提高灵敏度时,底波次数无明显增加。圆周各处探伤波形均相类似。纵向探伤时,伤波不会延续到锻坯的端头。

2.2  裂纹类缺陷波形特征
  裂纹内多有空气存在,空气的声阻数量级约为102,而金属材料的声阻抗数量级约为106,可见空气和金属材料的声学特性相差很大。裂纹与基体材料的边界是“软”边界,因此容易通过超声检测的方法发现缺陷。裂纹按在铸锻件内部位置以及与声束的位置不同分为中心锻造裂纹、横向内裂纹和纵向内裂纹3类。
2.2.1 横向内裂纹波形特征
  轴类工件中的横向内裂纹直探头探伤,声束平行于裂纹时,既无底波又无伤波,提高灵敏度后出现一系列小伤波,当探头从裂纹处移开,则底波多次反射恢复正常。斜探头轴向移动探伤和直探头纵向贯穿入射,都会出现典型的裂纹波形,即波形反射强烈,波底较宽,波峰分枝,成束状。斜探头移向裂纹时伤波向始波移动,反之向远离始波方向移动(见图2)。

2.2.2 纵向内裂纹波形特征
  轴类锻件中的纵向内裂,直探头圆周探伤,声束平行于裂纹时,既无底波也无伤波,当探头转动时90度时,反射波最强,呈现裂纹波形,有时会出现裂纹的二次反射,一般无底波。底波与伤波出现特殊的变化规律(图3)。

2.2.3 中心锻造裂纹波形特征
  图4为中心锻造裂纹典型波形图。可以看出伤波为心部的强脉冲,圆周方向移动探头时伤波幅度变化较大,时强时弱,底波次数很少或者底波消失。

2.3 夹杂类缺陷波形特征
  非金属夹杂物主要是指钢中的铁及其他元素与氧、硫、氮等作用形成的化合物。由于这些碎片的成分主要是Si、Al、Fe等的氧化物。这类材料的声特性阻抗小于金属基体的声特性阻抗,所以这类缺陷与基体材料的边界可被认为是“软”边界。如果钢锻件为合金钢,夹杂物有钨、钼等材料的情况下,其声学特性阻抗大于锻件基体材料的声学特性阻抗,故这类缺陷与基体材料的边界可被认为是“硬”边界。这些夹渣按照分布状态分为单个夹渣和分散性夹杂物。
2.3.1 单个夹渣波形特征
  单个夹渣伤波为单一脉冲或伴有小伤波的单个脉冲,波峰钝且不清晰,伤波幅度虽高但对底波及其反射次数影响不大(图5)。

2.3.2 分散性夹杂物波形特征
  分散性夹杂物伤波为多个,有时呈现林状波,但波顶圆钝不清晰,波形分枝,伤波较高,但对底波及底波多次反射次数影响较小。移动探头时伤波变化比白点波形变化快(图6)。

3、结 论

    采用超声技术检测钢锻件的内部缺陷,对于保证工件质量、提高零件服役效能、确保设备安全的是极为重要的技术手段和安全保障。通过在实际工作中大量试验对钢锻件超声检测中常见的白点、内裂纹、夹渣等几个典型的缺陷类型进行了分析归纳并做出定性分析,讨论了图谱产生的基本原理和机制。上述工作对于形成一套系统的、完善的超声检测缺陷定性分析数据库,有基础性研究意义,对于检测人员技能培训以及科研院所的技术研发等领域,提供很好的参考材料。