無損評(píng)價(jià)在材料(鍛件)檢測(cè)中的應(yīng)用

王　佩

(中國電子科技集團(tuán)公司第39所, 西安 710065)

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無損評(píng)價(jià)在材料(鍛件)檢測(cè)中的應(yīng)用

王佩

(中國電子科技集團(tuán)公司第39所, 西安 710065)

從材料檢測(cè)通用方法入手，對(duì)材料質(zhì)量檢查現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，指出了其特點(diǎn)、不足及解決辦法。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)介紹了無損表征的概念，對(duì)鍛件超聲檢測(cè)中，應(yīng)用超聲反射、散射、衰減等特征對(duì)材料進(jìn)行整體質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法和必要性進(jìn)行了說明。

無損評(píng)價(jià)；材料檢測(cè)；應(yīng)用

材料中通常出現(xiàn)的斷裂等破壞都是從宏觀缺陷處開始的。通過對(duì)發(fā)生損壞工件的分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下引發(fā)事故的缺陷遠(yuǎn)未達(dá)到判廢標(biāo)準(zhǔn)。工件損壞往往是在多種因素共同作用下發(fā)生的，缺陷只是引發(fā)事故的導(dǎo)火索。因此在對(duì)工程材料檢測(cè)時(shí)，除了需要更全面更準(zhǔn)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(yīng)力等信息，還需對(duì)材料的晶粒度、組織結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性等影響材料使用性能的因素進(jìn)行了解和分析,以全部了解材料的狀態(tài)，為材料的安全使用提供保障。

筆者從材料檢測(cè)通用方法入手，對(duì)材料質(zhì)量檢查現(xiàn)狀進(jìn)行介紹;結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)介紹了無損表征的概念，對(duì)鍛件超聲檢測(cè)中，應(yīng)用超聲反射、散射、衰減等特征對(duì)材料進(jìn)行整體質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法和必要性進(jìn)行了說明。

1　材料檢測(cè)現(xiàn)狀

目前，材料質(zhì)量主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)。

(1) 化學(xué)成分分析

一般化學(xué)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(duì)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(zhì)元素的含量。

(2) 力學(xué)性能試驗(yàn)

常用的力學(xué)性能試驗(yàn)有硬度、拉伸、沖擊和彎曲試驗(yàn)。從性能數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)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(xué)性能試樣的斷口上反映出來。

(3) 低倍檢驗(yàn)

硫印、酸洗、斷口分析是常用的低倍檢驗(yàn)項(xiàng)目。硫印檢驗(yàn)可以顯示硫在截面上的分布情況；酸洗檢驗(yàn)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(yàn)可以發(fā)現(xiàn)硫印、酸洗時(shí)沒能顯露出來的缺陷。

(4) 材料金相檢驗(yàn)

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(yàn)時(shí),用放大一定倍數(shù)的光學(xué)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(cè)

常規(guī)無損檢測(cè)是依據(jù)檢測(cè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，在不破壞工件使用完整性的前提下對(duì)工件進(jìn)行整體檢測(cè)，以發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部和表面的不連續(xù)性并對(duì)不連續(xù)性進(jìn)行定位、定量、定性分析為目的。

上述幾個(gè)方面的材料質(zhì)量檢查中，化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、低倍檢驗(yàn)、材料金相檢驗(yàn)這幾項(xiàng)檢驗(yàn)，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(cè)結(jié)果代表材料整體狀態(tài)的檢測(cè)。認(rèn)可這些材料檢測(cè)方法的前提，是認(rèn)為材料的內(nèi)部和表面是均勻連續(xù)的。當(dāng)然,也不可能對(duì)材料的每個(gè)部位都進(jìn)行破壞性檢測(cè)，那樣材料也就無法使用了。

但是，由于材料的冶金生產(chǎn)和后序熱加工及冷加工的原因，材料中細(xì)微的冶金缺陷、晶間裂紋、表面的微裂紋及細(xì)小的劃傷等材料內(nèi)部和表面的不連續(xù)是無法避免的，同時(shí)材料內(nèi)部組織也不是完全均勻的。因此,在生產(chǎn)現(xiàn)場用無損的方法對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品的整體材料狀態(tài)，第一時(shí)間給出較完整評(píng)價(jià)，以為后面的生產(chǎn)加工提供依據(jù)或建議,也就變得越來越重要。即，對(duì)工件的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)不連續(xù)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(shù)是材料表征的一個(gè)重要方法，它主要是通過測(cè)量超聲速度和超聲衰減來完成檢測(cè)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(xué)性能；表面波檢測(cè)可通過測(cè)量表面應(yīng)力，檢測(cè)微觀組織成分的相對(duì)量變化，也可分析晶粒成長的擇優(yōu)取向。衰減的變化反映的是微觀組織結(jié)構(gòu)變化時(shí)所表現(xiàn)出的散射量和吸收量的改變。但是對(duì)于微觀組織變化的檢測(cè),需要與金相試驗(yàn)對(duì)照分析并加以運(yùn)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(píng)價(jià)的應(yīng)用

鍛件超聲波檢測(cè)通常安排在鍛件組織正火后和工件性能調(diào)質(zhì)后進(jìn)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(dāng)溫度過高引起的晶粒長大現(xiàn)象不能被剩余鍛造比產(chǎn)生的破碎晶粒的作用抵消時(shí)，易形成粗大的晶粒;所以鍛后必須通過退火或正火來細(xì)化晶粒。如粗晶未能改善而遺傳下來，不僅會(huì)降低沖擊韌性，而且會(huì)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(jī)車超速停車軸經(jīng)鍛造、退火、調(diào)質(zhì)、滲氮等工藝處理后,由于鍛后退火不充分,未充分細(xì)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(yán)重降低了停車軸的力學(xué)性能;該停車軸在運(yùn)行僅20 h后，在階梯變化最大的應(yīng)力集中的危險(xiǎn)截面處發(fā)生了斷裂。另外，當(dāng)鍛件存在組織缺陷時(shí)，由于材質(zhì)不同,鍛件內(nèi)的組織缺陷有時(shí)即使經(jīng)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(diào)質(zhì)后組織不均勻的微觀形貌示例(100×)

從上面的論述可知,及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(cè)時(shí)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)工件開始掃查前，先用基準(zhǔn)組織反射數(shù)據(jù)(基準(zhǔn)組織反射是在材料處于正常組織狀態(tài)時(shí)的試塊上釆集的組織反射信號(hào))為標(biāo)準(zhǔn)(圖4)，對(duì)被檢測(cè)工件整體的組織狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn);即從工件的各檢測(cè)面抽檢一些點(diǎn)觀察工件內(nèi)部組織反射數(shù)據(jù)是否一致并且低于基準(zhǔn)組織反射信號(hào)，以此來判斷工件是否存在組織異常。如果發(fā)現(xiàn)組織反射信號(hào)異常(圖5)便需要重新熱處理，再次熱處理后如果仍然出現(xiàn)組織異常反射信號(hào)，便需要對(duì)工件進(jìn)一步做化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、微觀組織檢測(cè)等工作，確認(rèn)工件內(nèi)部存在什么缺欠。

圖4　材料正常狀態(tài)時(shí)組織反射信號(hào)

圖5　材料組織粗大不均的反射信號(hào)

需要注意的是，對(duì)于晶粒較粗、組織反射數(shù)據(jù)(圖6)超過基準(zhǔn)組織反射數(shù)據(jù)的工件，仍可進(jìn)行探傷，并且后面還有調(diào)質(zhì)工序時(shí)，不需重新正火而可先按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，但工件進(jìn)行調(diào)質(zhì)后需對(duì)組織的反射信號(hào)進(jìn)行再確認(rèn)；對(duì)于一些淬裂傾向嚴(yán)重的材料，經(jīng)鍛后正火的工件組織反射出現(xiàn)這種情況時(shí)，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(hào)

工作中，由于針對(duì)的具體材料的成分不同、狀態(tài)不同，因此需要制做不同的試塊作為基準(zhǔn)。制做基準(zhǔn)試塊時(shí)，相同工藝狀態(tài)下的試塊可多做幾塊，并取組織反射數(shù)據(jù)處于平均狀態(tài)的試塊作為基準(zhǔn)試塊。

3　結(jié)語

僅從材料組織的超聲反射和衰減入手，對(duì)材料的超聲表征在鍛件檢測(cè)中的簡單應(yīng)用進(jìn)行了論述。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,利用超聲波檢測(cè)作為篩選工具，對(duì)鍛件產(chǎn)品的內(nèi)部組織進(jìn)行整體檢測(cè)，同時(shí)與其它的檢測(cè)手段及熱處理相配合，能夠有效地對(duì)材料的內(nèi)部組織質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。

材料無損表征應(yīng)用及從材料無損檢測(cè)向無損評(píng)估過度已成為一種趨勢(shì)，但受制于無損檢測(cè)所使用手段本身技術(shù)的不足及經(jīng)濟(jì)性等因素的限制，要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(cè)手測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2002:236.

[3]丁惠麟，金榮芳.機(jī)械零件缺陷、失效分析與實(shí)例[M].北京: 化學(xué)工業(yè)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(jié)構(gòu)件及鍛件無損檢測(cè)方面的工作和研究。

10.11973/wsjc201512013

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0053-03