環形件超聲波缺陷的定性分析

文／呂洪良·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

環形件超聲波缺陷的定性分析

文／呂洪良·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

超聲波檢測原理是超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結構變化的技術。我們通過超聲波可以探測出金屬等工業材料中有沒有氣泡、傷痕、夾雜、裂紋等缺陷，為了能便于判定鋼鍛件中各種缺陷的普遍特征，通過以往檢測中的經驗積累及相關知識，形成了運用超聲波形特征對常見缺陷的產生原因進行判定的理論。使檢測人員能對判定鋼鍛件缺陷有更深、更全面的認識。

其中超聲波所能發現的缺陷，按其形成的工藝過程可分為：⑴在冶煉過程中形成的夾雜物、縮孔、疏松、偏析缺陷等；⑵在鍛造和熱處理過程中形成的裂紋、白點缺陷和晶粒粗大等。而針對以上缺陷類型其超聲波形的特征區別見表1。

表1 缺陷類型其超聲波形的特征區別

現實生產中，對超聲波檢測中出現的缺陷波形進行定性判定一般均采用解剖金相分析的理化分析方法進行。下面以實際生產中發生的案例進行詳細說明。

超聲波缺陷

在生產某規格環形鍛件時，鍛件規格：φ3190mm/φ2190mm×100mm，材質為45#。按照工藝要求對鍛件進行超聲波檢測，發現在鍛件內部存在密集性缺陷，缺陷波形見圖1。缺陷分布：距外徑80～450mm，深度40～130mm，密集性缺陷最大當量φ3.2mm。產品探傷標準要求：符合GB/T 5000.15-2007Ⅱ，單個缺陷≤φ3mm，密集性缺陷定義：在50mm×50mm的范圍內存在5個或5個以上的缺陷反射信號。本檢測結果超出了產品的驗收標準。為了對缺陷成因做定性分析，并找到造成超標缺陷的原因驗證缺陷波形判定理論，對該鍛件缺陷位置進行分析。

圖1 缺陷波形

生產基本信息及缺陷初步分析

該鍛件制造流程為：鋼錠下料鋸水冒口→加熱倒棱→鐓粗→拔長→擴孔→輾環→熱處理→機加工→超聲波檢測。

鍛件經調質處理并在機加工工序結束后進行超聲波檢測，發現在鍛件內部存在密集性缺陷，缺陷波形具有夾雜物缺陷波形和裂紋缺陷波形的特征。

從缺陷波的形狀和分布狀況初步分析，缺陷有可能為原材料熔鑄過程帶來的缺陷或鍛造及熱處理過程不當形成的缺陷。因此，計劃對缺陷位置進行解剖金相觀察，分析真實情況。

缺陷分析

為了準確分析缺陷成因，對缺陷處進行以下取樣及分析：對鍛件進行精確定位，用鋸床切去缺陷低倍試塊，試塊大小為220mm×150mm×30mm，切去后的試塊進行銑加工，銑加工后再上磨床進行拋光處理，試塊處理后進行低倍熱酸腐蝕試驗和斷口試驗，觀察試樣的宏觀形貌及斷口分析。低倍試驗完成后對試塊進行PT著色，觀察是否有開口缺陷。在進行完宏觀試驗后，從宏觀缺陷部位切取20mm×20mm×20mm的金相試樣，經拋光處理后在電子顯微鏡下觀察微觀狀態缺陷形貌，并對試樣進行腐蝕，觀察其組織及缺陷形貌。以下是具體分析結果。

宏觀分析

試樣低倍酸浸宏觀形貌見圖2。從圖中看出，在試塊上存在多條微小的缺陷，且大致呈平行分布，未發現氣孔、疏松、偏析等其他缺陷。

將低倍試塊取樣進行斷口分析，斷口形貌見圖3。從圖3可以看出，斷口為結晶狀，上面分布許多黑色的小孔洞類缺陷，從缺陷的分布和特征來看，排除氣孔缺陷的可能。取斷片進行調質處理，處理后在中間開槽壓斷，斷口塑性變形明顯，為纖維狀，但上面仍然分布著較深的點狀和孔洞缺陷，故可排除白點缺陷的可能。

圖2 試樣低倍酸浸宏觀形貌

圖3 宏觀斷口形貌

PT檢測分析

對低倍試塊進行PT著色檢測，利用清洗劑對試塊進行清洗，然后噴涂著色劑，等待20min后，把試塊擦干凈并噴涂顯現劑，試塊上呈現紅色長條形缺陷，缺陷長約3mm，如圖4所示。由PT著色現象斷定該表面缺陷為開口性缺陷且缺陷呈長條形，長短不一，分布隨機，與探傷檢測的情況相對應。

圖4 PT著色宏觀形貌

金相分析

用線切割在試塊上取一帶典型開口缺陷、20mm×20mm×20mm的試塊進行顯微觀察，并對試塊進行腐蝕，觀察試塊的顯微組織。試塊經拋磨、拋光后在金相顯微鏡下進行觀察，發現該缺陷為夾雜物缺陷（圖5），其尖端部位及周圍存在大量氧化物夾雜物。用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在顯微鏡下觀察，試塊的組織為均勻的鐵素體+珠光體，晶粒度9級，如圖6所示。

圖5 夾雜物缺陷

圖6 試樣的金相組織

掃描電鏡及能譜分析

在斷口試塊缺陷處取樣并進行電鏡分析，缺陷部位組織形貌見圖7。由圖7中可以看出，孔洞缺陷為開裂的裂紋面，其他區域斷裂形式為解理斷裂。將裂紋處放大看出開裂面上聚集著大量的顆粒狀夾雜物，如圖8所示。

為判定開裂面上夾雜物的性質，利用掃描電鏡對所發現的裂紋和夾雜物進行能譜分析，分別對夾雜物區域、夾雜物附近、正常斷裂區和裂紋邊緣進行定量成分分析。發現夾雜物附近和裂紋附近的Mg、Al含量都比正常區域內的高很多。

圖7 缺陷處電鏡分析

圖8 裂紋及夾雜物掃描電鏡照片

通過對該爐材料的熔煉過程追溯分析可知，該鍛件的原材料在冶煉過程中主要采用鋁脫氧，生成的脫氧產物以氧化鋁為主。此外，該爐鋼水生產時采用了較大型號的中間包，而精煉包熔煉鋼水噸位較小，倒包過程中熱量損失較大并且鋼水與精煉渣劇烈混沖，渣子未完成上浮即達到開燒溫度的下限，使精煉渣隨鋼水澆注至鋼錠模中，最終殘留在鋼錠冒口線以下的部位，導致鍛造變形后鍛件出現環狀密集型超標缺陷。

結論

從試驗分析結果得出以下結論：

⑴鍛件部位的超標缺陷為大型氧化鋁和氧化鎂夾雜物以及夾雜物造成的長條缺陷。

⑵在鍛件塑性變形過程中，脆性的氧化鋁類和氧化鎂類夾雜物沿主變形方向被打碎，因此在宏觀形貌上出現了沿變形方向近似平行的夾雜物裂紋痕跡，這與超聲波缺陷分布吻合。

⑶夾雜物是在鋼錠澆注過程中出現的。因此，在澆注時應采取控制澆注溫度和速度等措施避免多余夾雜物的聚集產生。

⑷通過以上檢測報告分析，根據探傷的缺陷波形可以判定該類缺陷屬于何種缺陷。