牽引電機轉軸超聲波探傷發現的一種惡性缺陷及其分析

劉義+陳玲+羅羽

摘 要：超聲波檢測作為一種不損傷試件本體，檢測試件內部缺陷的方法，由于其設備輕便，操作簡單，被廣泛應用于實際生產中。本研究主要針對一種城軌電機轉軸生產過程中超聲波探傷發現的一種惡性缺陷，對其進行定性分析。結果表明，此類缺陷為裂紋，在淬火過程中裂紋發生擴展，該缺陷超聲波探傷波形最主要的特征為沒有底波反射，在缺陷位置存在峰值較高的傷波。

關鍵詞：超聲波探傷；波形；裂紋

中圖分類號：TG115.28+5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0059-02

軌道交通行業中，牽引電機是電力機車、城軌車輛的重要組成部分，是車輛的動力來源，而電機轉軸作為牽引電機的核心配件，在車輛運行過程中，主要受循環載荷，容易產生疲勞源并發展為周向疲勞裂紋，其質量直接影響牽引電機能否正常工作，轉軸在運行過程中轉軸一旦發生斷裂，將會導致電機停車，使牽引動力不足，造成車輛行駛事故。在一種城軌車輛牽引電機轉軸超聲波探傷時，發現某批次數件內部存在超標缺陷，且皆在周向探傷時發現，波形特征相似，本文研究分析了該波形特征對應的缺陷形態及缺陷形成原因。

1 分析方法

對上述的缺陷轉軸，采用脈沖反射法[2]對其重新進行超聲波探傷，記錄其缺陷的波形，分析波形特征，并將缺陷部位切片取樣后進行理化分析。

本試驗采用的超聲波探傷設備為KW-4C數字式超聲波探傷儀，探頭型號為：2.5P20Z直探頭。

2 結果分析與討論

2.1 缺陷的探傷特征

圖1為轉軸周向超聲波探傷時的典型缺陷波形圖，圖2為對應產品無缺陷位置的探傷波形對比。

從圖1中可以看到，此類缺陷波形的主要特征為在缺陷位置產生傷波，范圍較窄，波峰較尖銳，還可以清楚的看到2次傷波。此類缺陷還有一個重要特征，與圖2中無缺陷的位置探傷波形相比，缺陷位置的波形圖中沒有底波反射，只有傷波存在。

缺陷位置沒有底波反射的原因，可能是由于入射波無法穿過缺陷到達試件底部，入射波能量在缺陷處被反射和吸收，在屏幕上顯示出的傷波峰值，應為缺陷位置的反射波，且沒有顯示試件底部回波。由此推斷，此缺陷的尺寸可能較大，并且聲波的傳遞特性與基體組織的差異性較大。根據以上推斷，此類缺陷可能為一種尺寸較大的裂紋。

2.2 理化分析

2.2.1 化學成分

將有缺陷產品取樣做化學成分分析，選取C、Cr、Mo、P、S幾種主要元素進行含量分析，檢測結果及材料成分要求見表1。

從表1中可以看到，有缺陷產品的原材料，其P、S含量較低，達到了特級優質鋼的要求，C、Cr、Mo含量均超過或到達了標準要求的上限，但偏差符合GB/T 222-2006《鋼的成品化學成分允許偏差》標準要求。

由于C、Cr、Mo幾種元素含量相對較高，提高了材料的淬透性，但在淬火過程中也增加了開裂的傾向。此缺陷可能為產品在淬火過程中發生開裂而產生的裂紋。

2.2.2 缺陷的形貌及金相組織

產品切片后的形貌見圖3，缺陷處的微觀分析見圖4，缺陷附近的微觀分析見圖5。

從圖3很明顯的看到，此缺陷為裂紋，并且裂紋已經在產品內部擴展，裂紋邊緣已經接近產品表面。從圖4可以清晰的看到，裂紋兩端的晶粒較為粗大，基體內部晶粒度不均勻，并且裂紋兩端組織存在脫碳的現象。從圖5可以看到，裂紋周圍的金相組織為索氏體，基體內部的組織并不均勻，存在明顯的帶狀組織。

由于存在脫碳現象，所以裂紋可能是在淬火之前已經形成，在淬火的過程中發生擴展。根據生產經驗，熱處理保溫溫度在大于700℃時，表面會產生比較明顯的脫碳，由于產品的回火溫度低于600℃，所以此缺陷脫碳現象只能是在產品淬火前的加熱過程中產生，這也說明材料在淬火前加熱的過程中內部已經有裂紋產生。

原始裂紋形成的原因可能有以下兩種：

（1）原材料冒口切除的不夠完全，將鑄造缺陷帶入到產品中，并且之后原材料超聲波探傷檢測時沒有將內部的缺陷發現。

（2）材料在鍛造成形的過程中，由于存在帶狀組織導致材料內部的成分不均勻，存在各向相異性，導致材料的變形協調性較差，在鍛造成形的過程中產生較大的應力，超過了基體的強度極限而發生開裂，形成初始的裂紋。

由于產品存在原始裂紋，在裂紋周圍會產生應力集中，淬火過程中由于馬氏體相變而產生的切變應力，使基體沿裂紋方向撕裂，導致裂紋迅速擴展。

3 結論

（1）缺陷為一種已經擴展的裂紋，超聲波探傷的主要特征為沒有底波反射，在缺陷的位置存在峰值較高的傷波。

（2）由于這批材料的碳含量及主要合金元素成分偏高，而且內部成分并不均勻，存在一定的帶狀組織，并且可能存在鑄造與鍛造過程帶入的缺陷，為保證產品質量，在保證機械性能的前提下，建議這一批次的產品熱處理淬火改用烈度略小的介質，以減緩淬火時的冷卻速度，減小淬火產生的應力，防止在此過程中產生新的裂紋。

（3）后續的超聲波探傷過程中加強監控，防止有缺陷產品的流出。

參考文獻：

[1]張致明.車軸超聲波探傷[J].科技通訊，2003（1）：5-9.

[2]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008：5.

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