大型鍛件是國家重大技術裝備和重大工程所必需的重要基礎部件,其在核電站的壓力容器、發電機組的低壓轉子以及各種重型機械的核心部件中均得到了非常廣泛的應用。隨著國民經濟的快速發展,大型鍛造件的需求量也將越來越大。

在實際工程應用中,由于工作環境惡劣,大型鍛件常需承受復雜的應力、沖擊振動和重負載荷。同時,由于大型鍛件的生產工序多、生產周期長,故影響其質量的因素也較多,這使得大型鍛件在生產過程中將不可避免地出現這樣那樣的缺陷。一旦工件存在嚴重影響其使用性能或安全性能的缺陷,或在生產過程中產生疲勞破損而未被及時檢出,將產生一系列嚴重后果,輕則會導致系統功能失效,重則會危及人身安全,造成重大經濟損失。因此,對大型鍛件進行實時檢測,提高其產品合格率,已成為提高工程質量、保證設備安全的必然要求。而目前常規的破壞性實驗已不能滿足大型鍛件的經濟性和全面性要求,故研究無損檢測并將其應用于大型鍛件上具有重要的現實意義。

目前,在工業領域對零件內部缺陷進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,故在實際生產中得到了廣泛的應用。但這種檢測方法具有強烈的輻射,對人體和環境有害。故應用該方法進行檢測時,需要有嚴格的防護措施,檢測工作必須在實驗室進行,且必須由經驗豐富的人員操作,因此,該方法已不能滿足現代生產需要在生產現場進行檢測的要求。磁粉檢測主要用于工件表面和近表面的缺陷檢測,而不能有效檢測內部缺陷,而且檢測完畢必須對工件進行退磁處理。滲透檢測則基本上只能對表面缺陷進行檢測,工作效率低,而且滲透液對環境也有污染。

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,還可較為準確地檢測其內部缺陷;且對環境無污染,對人體無危害。同時,隨著數字信號處理技術的高速發展以及大規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用,這使得人們對工件的現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,有很多現象還不能得到合理的解釋,這導致實際檢測中出現了很多的誤檢和漏檢。為此,研究超聲波在介質中的傳播特性,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理來進行檢測。理論上,超聲波在無限大均勻介質中是沿直線傳播的。但實際上,任何介質總有邊界,當超聲波在非均勻介質中傳播,或從1種介質傳播到另1種介質時,由于介質的聲阻抗發生了變化,故超聲波會在聲阻抗改變的分界面上產生反射、折射和透射現象。在超聲波透過界面時,其方向、強度和波形的變化取決于2種介質的特性聲阻抗和入射波與分界面的相對方向。 當超聲波垂直入射在2異種介質的分界面上時,會產生反射和透射現象。反射是超聲波從1種介質入射到具有不同聲特性阻抗的另1種介質時,改變傳播方向返回原介 質的現象;而透射則是在2種介質聲阻抗相同或者相近時,超聲波穿過分界面進入另一介質的現象。

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重威脅的則主要有以下幾種:裂紋、白點、縮孔、氣泡、夾雜物等。

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

白點一般認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。由于氫氣的聲學特性阻抗約為1. 15 & 10²,遠遠小于金屬材料的聲學阻抗。因此,由前述結論可知,白點缺陷與基體材料的邊界屬于“軟”邊界。

縮孔與氣泡這2種缺陷的內含物均為氣體,氣體的聲特性阻抗數量級為102,遠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為是“軟”邊界。

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

通過分析超聲波在介質中的傳播特性以及大型鍛件內部缺陷的聲學特性可知,各種缺陷的邊界特性均可歸納為兩大類:裂紋、白點、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其反射回波的相位與入射波相位相同。對于裂紋、白點、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)計算出其反射率和透射率,這2個參數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重,表現為檢測時底波幅度小甚至沒有底波;白點反射波很強,但由于其成群出現,故在檢測時波形表現為缺陷信號清晰而群集;裂紋缺陷的反射波強烈且單一存在,非常清晰;縮孔缺陷由于其周圍有大量夾雜物,同時其表面非常粗糙,故反射波會產生了較大的衰減。

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