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,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,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,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,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,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,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,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,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(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。