大型鍛件是國家重大技術(shù)裝備和重大工程所必需的重要基礎(chǔ)部件,其在核電站的壓力容器、發(fā)電機(jī)組的低壓轉(zhuǎn)子以及各種重型機(jī)械的核心部件中均得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大型鍛造件的需求量也將越來越大。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于工作環(huán)境惡劣,大型鍛件常需承受復(fù)雜的應(yīng)力、沖擊振動和重負(fù)載荷。同時(shí),由于大型鍛件的生產(chǎn)工序多、生產(chǎn)周期長,故影響其質(zhì)量的因素也較多,這使得大型鍛件在生產(chǎn)過程中將不可避免地出現(xiàn)這樣那樣的缺陷。一旦工件存在嚴(yán)重影響其使用性能或安全性能的缺陷,或在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生疲勞破損而未被及時(shí)檢出,將產(chǎn)生一系列嚴(yán)重后果,輕則會導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效,重則會危及人身安全,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此,對大型鍛件進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,提高其產(chǎn)品合格率,已成為提高工程質(zhì)量、保證設(shè)備安全的必然要求。而目前常規(guī)的破壞性實(shí)驗(yàn)已不能滿足大型鍛件的經(jīng)濟(jì)性和全面性要求,故研究無損檢測并將其應(yīng)用于大型鍛件上具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前,在工業(yè)領(lǐng)域?qū)α慵?nèi)部缺陷進(jìn)行無損檢測較常用的方法有為射線、磁粉、滲透、超聲檢測等。射線檢測是一種非常有效的檢測手段,由于其檢測精度高,故在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但這種檢測方法具有強(qiáng)烈的輻射,對人體和環(huán)境有害。故應(yīng)用該方法進(jìn)行檢測時(shí),需要有嚴(yán)格的防護(hù)措施,檢測工作必須在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,且必須由經(jīng)驗(yàn)豐富的人員操作,因此,該方法已不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)需要在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行檢測的要求。磁粉檢測主要用于工件表面和近表面的缺陷檢測,而不能有效檢測內(nèi)部缺陷,而且檢測完畢必須對工件進(jìn)行退磁處理。滲透檢測則基本上只能對表面缺陷進(jìn)行檢測,工作效率低,而且滲透液對環(huán)境也有污染。

與上述幾種方法相比,利用超聲波則不僅可以檢測零件表面和近表面缺陷,還可較為準(zhǔn)確地檢測其內(nèi)部缺陷;且對環(huán)境無污染,對人體無危害。同時(shí),隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的高速發(fā)展以及大規(guī)模集成電路的小型化,越來越多的便攜式超聲檢測儀得以應(yīng)用,這使得人們對工件的現(xiàn)場在線檢測和大批量檢測更加容易。但是,目前人們對超聲波檢測的理論研究還不夠深入,有很多現(xiàn)象還不能得到合理的解釋,這導(dǎo)致實(shí)際檢測中出現(xiàn)了很多的誤檢和漏檢。為此,研究超聲波在介質(zhì)中的傳播特性,并將其用于解決大型鍛件的超聲波檢測就顯得非常必要。

超聲檢測主要應(yīng)用超聲波在材料中的傳播特性,以及超聲波與缺陷的相互作用機(jī)理來進(jìn)行檢測。理論上,超聲波在無限大均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。但實(shí)際上,任何介質(zhì)總有邊界,當(dāng)超聲波在非均勻介質(zhì)中傳播,或從1種介質(zhì)傳播到另1種介質(zhì)時(shí),由于介質(zhì)的聲阻抗發(fā)生了變化,故超聲波會在聲阻抗改變的分界面上產(chǎn)生反射、折射和透射現(xiàn)象。在超聲波透過界面時(shí),其方向、強(qiáng)度和波形的變化取決于2種介質(zhì)的特性聲阻抗和入射波與分界面的相對方向。 當(dāng)超聲波垂直入射在2異種介質(zhì)的分界面上時(shí),會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。反射是超聲波從1種介質(zhì)入射到具有不同聲特性阻抗的另1種介質(zhì)時(shí),改變傳播方向返回原介 質(zhì)的現(xiàn)象;而透射則是在2種介質(zhì)聲阻抗相同或者相近時(shí),超聲波穿過分界面進(jìn)入另一介質(zhì)的現(xiàn)象。

大型鍛件的缺陷有很多種,但是常見的并對工件安全性造成嚴(yán)重威脅的則主要有以下幾種:裂紋、白點(diǎn)、縮孔、氣泡、夾雜物等。

裂紋內(nèi)含物多有空氣存在,空氣的聲阻數(shù)量級約為102,而金屬材料的聲阻抗數(shù)量級約為106,可見空氣和金屬材料的聲學(xué)特性相差很大。由前述結(jié)論可知,裂紋與基體材料的邊界是“軟”邊界。

白點(diǎn)一般認(rèn)為是由于工件熱處理過程中氫逸散不充分,殘留在基體中而形成的。由于氫氣的聲學(xué)特性阻抗約為1. 15 & 10²,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬材料的聲學(xué)阻抗。因此,由前述結(jié)論可知,白點(diǎn)缺陷與基體材料的邊界屬于“軟”邊界。

縮孔與氣泡這2種缺陷的內(nèi)含物均為氣體,氣體的聲特性阻抗數(shù)量級為102,遠(yuǎn)小于金屬材料的聲特性阻抗,所以這種缺陷與基體材料邊界亦屬于“軟”邊界。

非金屬夾雜物主要是指鋼中的鐵及其他元素與氧、硫、氮等作用形成的化合物,以及在煉鋼和澆注過程中混入鋼中的耐火材料碎片。由于這些碎片的成分主要是S IA l Fe等的氧化物,故可說鋼中的非金屬夾雜物是氣體在鋼中存在的一種形式。這類材料的聲特性阻抗小于金屬基體的聲特性阻抗,所以這類缺陷與基體材料的邊界可被認(rèn)為是“軟”邊界。

高密度金屬夾雜物有鎢、鉬等。鎢的聲學(xué)阻抗約為( 83. 2~ 104. 2) & 10 ⁵,鉬的聲學(xué)特性阻抗為63. 8 & 10⁵,而一般鍛件用材料的聲學(xué)阻抗在( 39. 4~ 45. 6) & 10⁵。因此這類高密度金屬材料的聲學(xué)特性阻抗大于鍛件基體材料的聲學(xué)特性阻抗,故這類缺陷與基體材料的邊界可被認(rèn)為是“硬”邊界。

通過分析超聲波在介質(zhì)中的傳播特性以及大型鍛件內(nèi)部缺陷的聲學(xué)特性可知,各種缺陷的邊界特性均可歸納為兩大類:裂紋、白點(diǎn)、縮孔、氣泡、非金屬夾雜物的邊界屬于“軟”邊界,超聲波垂直入射在這種界面上時(shí)反射回波的相位改變180度;高密度金屬夾雜物的邊界屬于“硬”邊界,超聲波垂直入射在這種界面上時(shí)其反射回波的相位與入射波相位相同。對于裂紋、白點(diǎn)、縮孔、氣泡以及非金屬夾雜物,盡管其聲阻抗不相同,但都可以通過式( 1)和式( 2)計(jì)算出其反射率和透射率,這2個參數(shù)反映了超聲回波信號的幅度衰減水平。非金屬夾雜物與基體組織的聲阻抗差異最小,透射率高,因此其回波衰減非常嚴(yán)重,表現(xiàn)為檢測時(shí)底波幅度小甚至沒有底波;白點(diǎn)反射波很強(qiáng),但由于其成群出現(xiàn),故在檢測時(shí)波形表現(xiàn)為缺陷信號清晰而群集;裂紋缺陷的反射波強(qiáng)烈且單一存在,非常清晰;縮孔缺陷由于其周圍有大量夾雜物,同時(shí)其表面非常粗糙,故反射波會產(chǎn)生了較大的衰減。

通過在大型鍛件廠的實(shí)際檢測,證明了上述方法對大型鍛件常見缺陷的檢測非常有效。