盛 偉 史麗軍 趙選杰 劉天琦 王 瑞

(1 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095) (2 中國(guó)二重德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，德陽(yáng) 618000) (3 撫順特殊鋼股份有限公司， 撫順 113001)

超大規(guī)格300M鋼棒超聲波探傷及缺陷分析

盛 偉1史麗軍1趙選杰2劉天琦1王 瑞3

(1 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095) (2 中國(guó)二重德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，德陽(yáng) 618000) (3 撫順特殊鋼股份有限公司， 撫順 113001)

文 摘 對(duì)Φ450 mm規(guī)格的300M鋼棒材進(jìn)行了超聲波探傷，采用2.5 MHz軟膜探頭可以保證探傷的靈敏度并降低噪聲水平。通過(guò)宏觀、顯微觀察和能譜分析等手段對(duì)探傷缺陷進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：探傷缺陷處存在氧化鋁、氧化鎂和氧化鈣復(fù)合夾雜物，單個(gè)夾雜物最大尺寸可達(dá)100 μm。該缺陷屬于熔煉過(guò)程中引入的外來(lái)夾雜物，對(duì)材料性能有不利的影響。

超聲波檢測(cè)，300M鋼，夾雜物

0 引言

300M鋼是國(guó)際上通用的飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，在軍民用飛機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用[1]。為了滿足大型飛機(jī)的需求，近年來(lái)生產(chǎn)了Φ400 mm及以上規(guī)格的300M鋼棒材。由于300M鋼棒材的重要用途，對(duì)其質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格。超聲波檢驗(yàn)是檢測(cè)棒材內(nèi)部質(zhì)量的主要方法，通過(guò)聲波在通過(guò)缺陷處時(shí)聲阻抗的變化來(lái)對(duì)材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行定位、定量及定性測(cè)量，可有效檢測(cè)鋼中的裂紋、偏析、夾雜物等缺陷[2-3]。GB/T 4162—2008標(biāo)準(zhǔn)[4]僅對(duì)規(guī)格Φ250 mm以下的鍛軋鋼棒的超聲檢測(cè)方法進(jìn)行了規(guī)定，更大規(guī)格棒材的超聲檢測(cè)方法尚無(wú)明確的規(guī)定。本文通過(guò)檢測(cè)參數(shù)的調(diào)整，對(duì)Φ450 mm的300M鋼棒材進(jìn)行探傷，并對(duì)缺陷進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料為Φ450 mm的300M鋼棒材。生產(chǎn)工藝流程為真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 300M鋼的化學(xué)成分

鋼錠開(kāi)坯鍛造后經(jīng)退火熱處理，硬度為255HBW。晶粒度大于6級(jí)，棒材表面粗糙度≤6.3 μm。

1.2 試驗(yàn)方法

采用Masterscan 380超聲波探傷儀沿圓周方向?qū)Π舨倪M(jìn)行超聲波檢測(cè)。對(duì)探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷位置進(jìn)行標(biāo)記，用線切割方法在缺陷位置切取30 mm×15 mm×25 mm的試樣，用砂紙打磨直至發(fā)現(xiàn)缺陷，檢驗(yàn)面用砂紙磨平后拋光。對(duì)缺陷進(jìn)行宏觀觀察并用Leica DMLM光學(xué)顯微鏡和Camscan 3100掃描電鏡進(jìn)行微觀分析，用Oxford能譜儀進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波探傷

在超聲波檢測(cè)時(shí)，由于棒材直徑達(dá)到450 mm，可采用底波計(jì)算法進(jìn)行靈敏度的調(diào)整。在使用高靈敏度的情況下引起較高的雜波是檢測(cè)中遇到的主要問(wèn)題。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在5 MHz頻率時(shí)，若采用全聲程檢測(cè)，噪聲水平達(dá)到60%～80%，無(wú)法識(shí)別缺陷信號(hào)。針對(duì)這一情況，對(duì)大規(guī)格300M鋼棒材進(jìn)行全聲程和半聲程對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。在采用半聲程檢測(cè)時(shí)，由于聲程減小，聲能相應(yīng)增加，噪聲水平為20%左右，信噪比較全聲程檢測(cè)有明顯提高。但是半聲程檢測(cè)方法會(huì)造成25～30 mm的上表面盲區(qū)，影響檢測(cè)的覆蓋率。

超聲波頻率對(duì)缺陷的探測(cè)能力也有影響。探頭頻率越高，檢測(cè)靈敏度和缺陷分辨力越高。但是隨著頻率的提高，超聲波的衰減也增加。

公式(1)描述了探傷時(shí)波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系，

(1)

式中,f為探頭頻率，v為鋼中縱波聲速，λ為鋼中縱波波長(zhǎng)。

在給定的材料中，頻率越高，波長(zhǎng)越短，可探測(cè)的缺陷越小，通過(guò)公式(1)計(jì)算：

即采用2.5 MHz探頭可滿足檢測(cè)Ф1.2 mm缺陷的要求。

圖2比較了在5 MHz和2.5 MHz條件下的噪聲水平。結(jié)果表明，將探頭頻率由5 MHz降到2.5 MHz，并采用軟膜探頭以增加耦合效果可以有效降低探傷的噪聲水平。用2.5 MHz軟膜探頭在全聲程條件下檢測(cè)，噪聲水平降至30%左右。

采用2.5 MHz頻率和全聲程檢測(cè)方法，既具有一定的檢測(cè)靈敏度，又能保證檢測(cè)的覆蓋率。采用此參數(shù)對(duì)Φ450 mm的300M鋼棒材進(jìn)行探傷，探傷結(jié)果見(jiàn)表2，共發(fā)現(xiàn)4處缺陷，最小缺陷當(dāng)量分別為Φ1.2 mm。典型缺陷的回波信號(hào)如圖3所示。

表2 300M鋼棒材超聲波探傷結(jié)果

2.2 缺陷分析

根據(jù)超聲探傷顯示結(jié)果對(duì)缺陷的定位，對(duì)表2中的1#及2#缺陷進(jìn)行了解剖分析。兩處缺陷的宏觀形貌見(jiàn)圖4。1#缺陷為長(zhǎng)條形缺陷，長(zhǎng)度約1 mm，方向平行于棒材的軸線。2#缺陷屬于聚集形缺陷，缺陷范圍約2 mm×2 mm。

在掃描電子顯微鏡下觀察，1#缺陷裂紋形貌如圖5(a)所示。裂紋呈細(xì)長(zhǎng)形，裂紋處鑲嵌著不規(guī)則的白色塊狀?yuàn)A雜物，最大尺寸可達(dá)100 μm。圖5(b)為裂紋的局部放大像。由圖5(b)可知，大塊狀?yuàn)A雜物周圍分布著小塊夾雜，這是由于塊狀?yuàn)A雜受力破碎造成的。對(duì)塊狀?yuàn)A雜物能譜分析結(jié)果表明，塊狀物成分主要為含鋁和鎂的復(fù)合氧化物。能譜分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 1#缺陷夾雜物的能譜分析結(jié)果

2#缺陷的光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡照片見(jiàn)圖6。在光學(xué)顯微鏡下放大觀察，2#試樣缺陷由形狀不規(guī)則的空洞組成,且空洞處嵌有塊狀?yuàn)A雜物，尺寸最大達(dá)100 μm以上。

對(duì)大塊的鑲嵌物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示試樣缺陷位置鑲嵌物為Al2O3和CaO，缺陷其他部位能譜結(jié)果顯示為基體成分，未發(fā)現(xiàn)異常。能譜分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 2#缺陷夾雜物的能譜分析結(jié)果

2.3 分析與討論

鋼中非金屬夾雜物按來(lái)源可分為內(nèi)生和外來(lái)夾雜物，前者包括在熔化和凝固過(guò)程中鋼液中各種元素發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)形成的夾雜物；后者包括冶煉和澆注過(guò)程中爐渣、耐火材料等與鋼液發(fā)生機(jī)械作用形成的夾雜物。一般外來(lái)夾雜物的特征是：夾雜物粒徑大、組成復(fù)雜、來(lái)源廣泛、偶然性分布、對(duì)產(chǎn)品危害性能最大[5]。

發(fā)現(xiàn)的夾雜物為Al2O3、MgO、CaO的復(fù)合氧化物，尺寸超過(guò)100 μm，屬于外來(lái)夾雜物。煉鋼系統(tǒng)耐火材料多為Al2O3和MgO復(fù)合材質(zhì)，是外來(lái)夾雜物的主要來(lái)源之一。真空感應(yīng)熔煉時(shí)，坩堝材料中的Al2O3、MgO等耐火材料由于受到鋼液的沖刷而進(jìn)入鋼中[6-7]。Ca元素則通過(guò)硅鈣合金變性處理時(shí)帶入[8]。Al2O3屬脆性?shī)A雜物，與基體的硬度、彈性模量存在明顯差異(表5)。

表5 氧化鋁夾雜物與基體的物理性能[9-10]

在外加應(yīng)力下夾雜物與基體界面上將產(chǎn)生應(yīng)力集中，在鍛造過(guò)程中會(huì)引起周圍應(yīng)力變大，產(chǎn)生裂紋，并引起自身的破碎。這不僅將降低材料的力學(xué)性能，甚至?xí)?dǎo)致零件的早期疲勞破壞。

3 結(jié)論

(1)采用2.5 MHz軟膜探頭對(duì)Φ450 mm的300M鋼棒材進(jìn)行超聲波探傷，可以降低探傷時(shí)的噪聲水平，可發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部最小Φ1.2 mm當(dāng)量的缺陷。

(2)鋼中發(fā)現(xiàn)的缺陷由Al2O3、MgO、CaO的復(fù)合氧化物組成，成鏈狀或不規(guī)則形狀，單個(gè)夾雜物最大尺寸可達(dá)100 μm以上。上述夾雜物屬于熔煉過(guò)程中引入的外來(lái)夾雜物，對(duì)材料的性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

[1] 李志,賀自強(qiáng),金建軍,等.航空超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2012.

[2] ?？∶?蔡暉. 鋼中缺陷的超聲波定性探傷[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2012.

[3] 陳昌華. 鋼錠和鍛件超聲波探傷缺陷分析[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2015.

[4] GB/T 4162—2008 鍛軋鋼棒超聲檢測(cè)方法[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5] 梁旭,周清躍,張銀花,等. 鋼軌中大尺寸外來(lái)夾雜物分析[J]. 鋼鐵，2015,50(5)：54-58.

[6] 梁寶乙,劉繼紅,張俊彥. 大型碳錳鋼軸類鍛件密集性缺陷分析[J]. 大型鑄鍛件,2011(4):20-25.

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[8] 張莉萍,葛建國(guó),趙愛(ài)軍. 淺談鋼中夾雜物的控制對(duì)鋼質(zhì)量的影響[J]. 包鋼科技,2002,28(4):85-87.

[9] 雍岐龍. 鋼鐵結(jié)構(gòu)材料中的第二相[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2006.

[10] 中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì). 中國(guó)航空材料手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

Ultrasonic Detection and Defects Analysis of Large Size 300M Steel Bars

SHENG Wei1SHI Lijun1ZHAO Xuanjie2LIU Tianqi1WANG Rui3

(1 AECC Beijing Institute of Aeronautic Materials, Beijing 100095) (2 National Erzhong Group Deyang Wanhang Die Forging Co. Ltd, Deyang 618000) (3 Fushun Special Steel Group, Fushun 113001)

The 300M steel bars with diameter of 450 mm were inspected by ultrasonic method. 2.5 MHz soft probe was used to ensure ultrasonic sensitivity and reduce the noise level. Macro- and micro-observations as well as electrical diffraction spectrum analysis were carried out to inspect interior defects of a material. The results showed that inclusions found by ultrasonic detection were consisted of Al2O3,MgO and CaO. The largest size of the inclusions was over 100 μm. These inclusions were imported by melting process, and they were detrimental to properties of the material.

Ultrasonic detective，300M steel，Inclusion

2016-07-08

盛偉，1983年出生，工程師，碩士，主要從事航空超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用研究工作。E-mail: shengwei9811@163.com

TG 115.28

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.017