無損評價在材料(鍛件)檢測中的應用

王　佩

(中國電子科技集團公司第39所, 西安 710065)

?

無損評價在材料(鍛件)檢測中的應用

王佩

(中國電子科技集團公司第39所, 西安 710065)

從材料檢測通用方法入手，對材料質量檢查現狀進行介紹，指出了其特點、不足及解決辦法。結合實際生產介紹了無損表征的概念，對鍛件超聲檢測中，應用超聲反射、散射、衰減等特征對材料進行整體質量評價的方法和必要性進行了說明。

無損評價；材料檢測；應用

材料中通常出現的斷裂等破壞都是從宏觀缺陷處開始的。通過對發生損壞工件的分析發現，大多數情況下引發事故的缺陷遠未達到判廢標準。工件損壞往往是在多種因素共同作用下發生的，缺陷只是引發事故的導火索。因此在對工程材料檢測時，除了需要更全面更準確地獲得宏觀缺陷的形狀、尺寸、位置、取向、缺陷部位的殘余應力等信息，還需對材料的晶粒度、組織結構的不連續性等影響材料使用性能的因素進行了解和分析,以全部了解材料的狀態，為材料的安全使用提供保障。

筆者從材料檢測通用方法入手，對材料質量檢查現狀進行介紹;結合實際生產介紹了無損表征的概念，對鍛件超聲檢測中，應用超聲反射、散射、衰減等特征對材料進行整體質量評價的方法和必要性進行了說明。

1　材料檢測現狀

目前，材料質量主要從以下幾個方面進行檢驗。

(1) 化學成分分析

一般化學成分分析主要為碳、錳、硅、硫、磷及合金元素的含量分析。鍛件從冒口端取樣;對于重要零件,為了了解其偏析程度而需從指定位置取樣，特殊件或缺陷(及失效)分析，往往還需要分析氣體、夾雜物及微量雜質元素的含量。

(2) 力學性能試驗

常用的力學性能試驗有硬度、拉伸、沖擊和彎曲試驗。從性能數據可以發現材料存在的問題，鋼中氣泡、疏松、裂紋、晶粒度及回火脆性等往往均能在力學性能試樣的斷口上反映出來。

(3) 低倍檢驗

硫印、酸洗、斷口分析是常用的低倍檢驗項目。硫印檢驗可以顯示硫在截面上的分布情況；酸洗檢驗可以顯示截面上的成分偏析、疏松、縮孔等各種宏觀缺陷；斷口檢驗可以發現硫印、酸洗時沒能顯露出來的缺陷。

(4) 材料金相檢驗

此方法廣泛用于微觀檢查，也常用于研究宏觀缺陷的微觀特征。檢驗時,用放大一定倍數的光學顯微鏡觀察制備好的金相試樣，檢查金屬顯微組織及晶粒度等。

(5) 無損檢測

常規無損檢測是依據檢測規范及標準，在不破壞工件使用完整性的前提下對工件進行整體檢測，以發現工件內部和表面的不連續性并對不連續性進行定位、定量、定性分析為目的。

上述幾個方面的材料質量檢查中，化學成分分析、力學性能試驗、低倍檢驗、材料金相檢驗這幾項檢驗，是用試棒或者在材料上局部取樣來完成的，是破壞性的以局部檢測結果代表材料整體狀態的檢測。認可這些材料檢測方法的前提，是認為材料的內部和表面是均勻連續的。當然,也不可能對材料的每個部位都進行破壞性檢測，那樣材料也就無法使用了。

但是，由于材料的冶金生產和后序熱加工及冷加工的原因，材料中細微的冶金缺陷、晶間裂紋、表面的微裂紋及細小的劃傷等材料內部和表面的不連續是無法避免的，同時材料內部組織也不是完全均勻的。因此,在生產現場用無損的方法對每一個產品的整體材料狀態，第一時間給出較完整評價，以為后面的生產加工提供依據或建議,也就變得越來越重要。即，對工件的化學成分、組織結構、力學性能、結構不連續等特性,做出無損描述即無損表征也就成為必需。

2　材料的超聲表征

2.1材料組織的超聲表征

超聲脈沖回波技術是材料表征的一個重要方法，它主要是通過測量超聲速度和超聲衰減來完成檢測的。簡單地說，超聲速度的變化反映的是彈性模量的變化，可以表征材料的力學性能；表面波檢測可通過測量表面應力，檢測微觀組織成分的相對量變化，也可分析晶粒成長的擇優取向。衰減的變化反映的是微觀組織結構變化時所表現出的散射量和吸收量的改變。但是對于微觀組織變化的檢測,需要與金相試驗對照分析并加以運用。Ti-6Al-3Mo-Zi-Si合金鍛坯的微觀組織及超聲反射散射表征見圖1。

圖1　Ti-6Al-3Mo-Zi-Si合金鍛坯的微觀組織及超聲反射散射表征

2.2鍛件組織無損評價的應用

鍛件超聲波檢測通常安排在鍛件組織正火后和工件性能調質后進行。

為了獲得良好的熱塑性以利于鍛壓成形，一般鍛造的加熱溫度較高。若終鍛溫度過高，變形量小，當溫度過高引起的晶粒長大現象不能被剩余鍛造比產生的破碎晶粒的作用抵消時，易形成粗大的晶粒;所以鍛后必須通過退火或正火來細化晶粒。如粗晶未能改善而遺傳下來，不僅會降低沖擊韌性，而且會影響抗疲勞性能。

圖2　粗大的板條馬氏體位向的索氏體微觀形貌(400×)

例如某38CrMoAlA鋼制機車超速停車軸經鍛造、退火、調質、滲氮等工藝處理后,由于鍛后退火不充分,未充分細化晶粒而遺傳下來,最終形成粗大的板條馬氏體位向的索氏體(圖2),嚴重降低了停車軸的力學性能;該停車軸在運行僅20 h后，在階梯變化最大的應力集中的危險截面處發生了斷裂。另外，當鍛件存在組織缺陷時，由于材質不同,鍛件內的組織缺陷有時即使經過熱處理加工也無法消除,如圖3所示。

圖3　40Cr鋼成分不均調質后組織不均勻的微觀形貌示例(100×)

從上面的論述可知,及時發現材料中宏觀缺陷以外的組織缺陷是非常重要的。因此，鍛件檢測時依據標準和規范對工件開始掃查前，先用基準組織反射數據(基準組織反射是在材料處于正常組織狀態時的試塊上釆集的組織反射信號)為標準(圖4)，對被檢測工件整體的組織狀態進行確認;即從工件的各檢測面抽檢一些點觀察工件內部組織反射數據是否一致并且低于基準組織反射信號，以此來判斷工件是否存在組織異常。如果發現組織反射信號異常(圖5)便需要重新熱處理，再次熱處理后如果仍然出現組織異常反射信號，便需要對工件進一步做化學成分分析、力學性能試驗、微觀組織檢測等工作，確認工件內部存在什么缺欠。

圖4　材料正常狀態時組織反射信號

圖5　材料組織粗大不均的反射信號

需要注意的是，對于晶粒較粗、組織反射數據(圖6)超過基準組織反射數據的工件，仍可進行探傷，并且后面還有調質工序時，不需重新正火而可先按照相關標準進行檢測，但工件進行調質后需對組織的反射信號進行再確認；對于一些淬裂傾向嚴重的材料，經鍛后正火的工件組織反射出現這種情況時，需通知熱處理工作人員采取必要措施以防止工件淬裂。

圖6　材料晶粒較粗且不均勻的反射信號

工作中，由于針對的具體材料的成分不同、狀態不同，因此需要制做不同的試塊作為基準。制做基準試塊時，相同工藝狀態下的試塊可多做幾塊，并取組織反射數據處于平均狀態的試塊作為基準試塊。

3　結語

僅從材料組織的超聲反射和衰減入手，對材料的超聲表征在鍛件檢測中的簡單應用進行了論述。經過試驗驗證,利用超聲波檢測作為篩選工具，對鍛件產品的內部組織進行整體檢測，同時與其它的檢測手段及熱處理相配合，能夠有效地對材料的內部組織質量進行監控。

材料無損表征應用及從材料無損檢測向無損評估過度已成為一種趨勢，但受制于無損檢測所使用手段本身技術的不足及經濟性等因素的限制，要實現目標還有很多工作需要完成。

[1]康大韜,葉國斌. 大型鍛件材料及熱處理[M].北京:龍門書局出版社,1998:513.

[2]李家偉,陳積懋.無損檢測手測[M].北京：機械工業出版社, 2002:236.

[3]丁惠麟，金榮芳.機械零件缺陷、失效分析與實例[M].北京: 化學工業出版社,2013:65,178.

The Application of Nondestructive Evaluation in the Material Testing (Forgeable Piece)

WANG Pei

(No.39 Research Institute of CETC, Xi′an 710065, China)

By examining the commonly used methods of material testing, this thesis attempts an introduction of the current situation of material testing, with an emphasis upon its specialities, existing problems and corresponding solutions. The concept of nondestructive characterization is introduced with the mechanical engineering production in our mind. The thesis also expounds the methods and the necessity of an evaluation of the overall quality of the forging material under testing through the application of ultrasound reflection, ultrasonic scattering and ultrasound attenuation.

Nondestructive evaluation； Material testing； Application

2015-09-10

王佩(1974-),男，工程師，主要從事焊接結構件及鍛件無損檢測方面的工作和研究。

10.11973/wsjc201512013

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0053-03