牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸超聲波探傷發(fā)現(xiàn)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(nèi)部缺陷的方法，由于其設(shè)備輕便，操作簡單，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。本研究主要針對一種城軌電機(jī)轉(zhuǎn)軸生產(chǎn)過程中超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的一種惡性缺陷，對其進(jìn)行定性分析。結(jié)果表明，此類缺陷為裂紋，在淬火過程中裂紋發(fā)生擴(kuò)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(guān)鍵詞：超聲波探傷；波形；裂紋

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

軌道交通行業(yè)中，牽引電機(jī)是電力機(jī)車、城軌車輛的重要組成部分，是車輛的動(dòng)力來源，而電機(jī)轉(zhuǎn)軸作為牽引電機(jī)的核心配件，在車輛運(yùn)行過程中，主要受循環(huán)載荷，容易產(chǎn)生疲勞源并發(fā)展為周向疲勞裂紋，其質(zhì)量直接影響牽引電機(jī)能否正常工作，轉(zhuǎn)軸在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)軸一旦發(fā)生斷裂，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停車，使?fàn)恳齽?dòng)力不足，造成車輛行駛事故。在一種城軌車輛牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸超聲波探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)某批次數(shù)件內(nèi)部存在超標(biāo)缺陷，且皆在周向探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，波形特征相似，本文研究分析了該波形特征對應(yīng)的缺陷形態(tài)及缺陷形成原因。

1 分析方法

對上述的缺陷轉(zhuǎn)軸，采用脈沖反射法[2]對其重新進(jìn)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(jìn)行理化分析。

本試驗(yàn)采用的超聲波探傷設(shè)備為KW-4C數(shù)字式超聲波探傷儀，探頭型號(hào)為：2.5P20Z直探頭。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 缺陷的探傷特征

圖1為轉(zhuǎn)軸周向超聲波探傷時(shí)的典型缺陷波形圖，圖2為對應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)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(gè)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(dá)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(yīng)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(jù)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(xué)成分

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

從表1中可以看到，有缺陷產(chǎn)品的原材料，其P、S含量較低，達(dá)到了特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的要求，C、Cr、Mo含量均超過或到達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)要求的上限，但偏差符合GB/T 222-2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品在淬火過程中發(fā)生開裂而產(chǎn)生的裂紋。

2.2.2 缺陷的形貌及金相組織

產(chǎn)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(jīng)在產(chǎn)品內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋邊緣已經(jīng)接近產(chǎn)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(nèi)部晶粒度不均勻，并且裂紋兩端組織存在脫碳的現(xiàn)象。從圖5可以看到，裂紋周圍的金相組織為索氏體，基體內(nèi)部的組織并不均勻，存在明顯的帶狀組織。

由于存在脫碳現(xiàn)象，所以裂紋可能是在淬火之前已經(jīng)形成，在淬火的過程中發(fā)生擴(kuò)展。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，熱處理保溫溫度在大于700℃時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生比較明顯的脫碳，由于產(chǎn)品的回火溫度低于600℃，所以此缺陷脫碳現(xiàn)象只能是在產(chǎn)品淬火前的加熱過程中產(chǎn)生，這也說明材料在淬火前加熱的過程中內(nèi)部已經(jīng)有裂紋產(chǎn)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(chǎn)品中，并且之后原材料超聲波探傷檢測時(shí)沒有將內(nèi)部的缺陷發(fā)現(xiàn)。

（2）材料在鍛造成形的過程中，由于存在帶狀組織導(dǎo)致材料內(nèi)部的成分不均勻，存在各向相異性，導(dǎo)致材料的變形協(xié)調(diào)性較差，在鍛造成形的過程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，超過了基體的強(qiáng)度極限而發(fā)生開裂，形成初始的裂紋。

由于產(chǎn)品存在原始裂紋，在裂紋周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，淬火過程中由于馬氏體相變而產(chǎn)生的切變應(yīng)力，使基體沿裂紋方向撕裂，導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展。

3 結(jié)論

（1）缺陷為一種已經(jīng)擴(kuò)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(nèi)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(chǎn)品質(zhì)量，在保證機(jī)械性能的前提下，建議這一批次的產(chǎn)品熱處理淬火改用烈度略小的介質(zhì)，以減緩淬火時(shí)的冷卻速度，減小淬火產(chǎn)生的應(yīng)力，防止在此過程中產(chǎn)生新的裂紋。

（3）后續(xù)的超聲波探傷過程中加強(qiáng)監(jiān)控，防止有缺陷產(chǎn)品的流出。

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