齒輪軸外觀

對(duì)該齒輪軸進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在完好部位出現(xiàn)多次底面回波，且無(wú)缺陷波顯示。

無(wú)缺陷部位底波顯示

在有缺陷部位，即齒輪軸的中心部位，出現(xiàn)了明顯的缺陷回波，并伴隨著底波完全消失。

缺陷部位的波形顯示

超聲波檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷的基本情況如下圖所示：圖中所示A段缺陷的最大當(dāng)量為?7.5mm，一般在當(dāng)量?2~5mm之間，缺陷位于軸的中心?100mm左右，缺陷對(duì)底波的影響最嚴(yán)重處，底波降低量大于26dB。

缺陷分布位置示意

超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)超出了相關(guān)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，但對(duì)于缺陷性質(zhì)的判定以及產(chǎn)生原因還需要進(jìn)一步分析。

制造此齒輪軸的前期工藝流程為：

澆鑄鋼錠→鍛造→粗加工→超聲波檢測(cè)→調(diào)質(zhì)熱處理→半精加工→超聲波檢測(cè)→發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

可能產(chǎn)生缺陷的階段有：澆鑄鋼錠、鍛造和調(diào)質(zhì)熱處理階段，但是在粗加工后的超聲檢測(cè)階段沒有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。因此，產(chǎn)生缺陷的階段就有可能是調(diào)質(zhì)熱處理。如果對(duì)粗加工后的超聲檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生懷疑，那么缺陷產(chǎn)生階段將擴(kuò)大到粗加工前。

對(duì)缺陷分析更直接和有效的方法是將缺陷解剖并進(jìn)行金相分析。考慮到齒輪軸的尺寸和缺陷分布的特點(diǎn)，采用直徑約為200mm的試棒，并對(duì)試棒進(jìn)行解剖。

試棒外觀及其超聲檢測(cè)波形

將試棒沿垂直于軸向方向鋸開，可以看到如下圖(a)所示的開口性缺陷。對(duì)缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)，得到如下圖(b)所示的波形。從直觀上看缺陷可能是縮管或裂紋，還需要進(jìn)一步取樣進(jìn)行金相分析。

解剖后缺陷外觀及缺陷波形

試樣的金相檢驗(yàn)

在缺陷處切取試樣，沿下圖標(biāo)識(shí)的直線開槽壓斷口。

試樣裂口外觀及其放大照片

試樣斷口外觀及其放大照片

可見，壓斷部位斷口正常，沒有發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)、夾雜、裂紋等缺陷，在孔洞附近未發(fā)現(xiàn)夾雜物和氧化皮等異物，斷口表面粗糙不平。將試樣磨制、拋光后，在金相顯微鏡下觀察夾雜物，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》對(duì)其評(píng)級(jí)，試樣的缺陷部位與正常部位的夾雜物均不超標(biāo)；把試樣浸蝕后，在顯微鏡下觀察，其組織為珠光體+鐵素體+索氏體。

在裂紋處取試樣，置于電鏡下觀察，內(nèi)部裂紋表面較粗糙，高倍下觀察其全部為韌窩狀斷口，沒有光滑自由表面。

裂口處韌窩形貌

粗糙的內(nèi)裂斷口形貌

在室溫下，壓斷斷口表面較平坦，主要為解理、準(zhǔn)解理斷口，少量韌窩斷口。

室溫下的壓斷斷口形貌

解理斷口形貌

金相檢驗(yàn)結(jié)果分析

1、齒輪軸心部位缺陷位置表面粗糙不平，且無(wú)氧化，并在電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)斷口全部為韌窩狀，沒有自由表面存在。宏觀觀察和微觀分析也沒有發(fā)現(xiàn)非結(jié)晶條帶，說(shuō)明該孔洞缺陷并非晶間疏松、縮孔、縮管殘余、二次縮管等缺陷，而是在后期處理過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。

2、該裂紋原始表面粗糙，電鏡下觀察斷口完全呈現(xiàn)韌窩狀，而壓斷斷口則呈脆性斷裂的解理狀和少量韌窩狀，說(shuō)明原始裂紋是在較高溫度下形成的。

3、大型軸類鍛件在熱處理冷卻過(guò)程中，活件表層和心部分別先后冷卻，在冷卻后期外部金屬已經(jīng)冷卻至低溫并發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成強(qiáng)度和硬度較高的外殼，而這時(shí)心部金屬的溫度還高于外部；當(dāng)心部金屬繼續(xù)冷卻時(shí)，其體積將隨之收縮，而此時(shí)外層金屬所形成的堅(jiān)硬外殼將阻礙心部金屬的收縮；從而在活件的中心部位形成以熱應(yīng)力為主的3向拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力作用在截面的中心處(活件長(zhǎng)度方向和直徑方向的中心部位)。有時(shí)心部金屬在這種3向拉應(yīng)力的作用下，其自身強(qiáng)度將不足以抵抗巨大的拉應(yīng)力，從而發(fā)生開裂。因此對(duì)于大型工件，有時(shí)即使在緩速中淬火也會(huì)有裂紋產(chǎn)生。

4、另外，本件齒輪軸心部組織存在較嚴(yán)重的微觀偏析現(xiàn)象。該組織偏析的存在顯著降低了材料的強(qiáng)度，特別是在冷卻過(guò)程中裂紋通常沿材料中的薄弱環(huán)節(jié)擴(kuò)展。

5、由于大型鍛件心部組織在淬火冷卻時(shí)通常不發(fā)生馬氏體相變，因此具有較好的塑性變形能力；活件裂開后，隨著應(yīng)力的釋放，裂紋擴(kuò)展的勢(shì)頭被顯著遏制并停止擴(kuò)展；同時(shí)裂口兩邊將在拉應(yīng)力消失后發(fā)生回復(fù)性的塑性變形，從而導(dǎo)致裂口外觀呈現(xiàn)孔狀而非通常的扁平狀。

6、此外，解剖的齒輪軸內(nèi)部裂紋走向?yàn)榕c軸向呈約45°角的縱向裂紋，而解剖方向?yàn)闄M向，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展方向示意如下圖所示，從而導(dǎo)致在解剖所得截面上直接看到的斷面兩邊不完全對(duì)稱，類似于孔洞的現(xiàn)象。

內(nèi)部裂紋擴(kuò)展方向示意

結(jié)論

(1) 在超聲檢測(cè)鍛件時(shí)，缺陷引起的底波降低量的大小對(duì)缺陷的危害性判定起著重要作用。

(2) 特定條件下產(chǎn)生的裂紋形狀類似孔形。

(3) 大型鍛件淬火時(shí)，應(yīng)預(yù)防由心部應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋。