超声检测缺陷分析及假象识别

任 猛 杨春华 章国伟 彭仁春 周振福

(亚洲重工集团有限公司，江苏214128)

超声检测缺陷分析及假象识别

任 猛 杨春华 章国伟 彭仁春 周振福

(亚洲重工集团有限公司，江苏214128)

准确判别超声检测缺陷并详细描述其产生的过程及原因，是无损检测人员的职责。准确的检测报告对改进工艺、控制操作过程和提高产品质量起到关键性的作用。本文根据多年的实际经验，对一些典型实例进行探讨。

超声检测;缺陷分析;假象识别

超声检测是一门专业性和技术性都比较强的学科，除无损检测专业知识外，还需要了解冶炼、浇注、金属凝固、加热、锻造、锻后、热处理和机加工等全过程的情况，熟知钢锭中原始11种主要缺陷的分类［1］，掌握它们在热加工过程中的变化规律，发现工艺及操作过程不规范的现象等等。

对有些缺陷的定性是比较容易的。比如严格按照有效压实锻造法生产的锻件，如果锻后热处理过程一切正常，那么检测显示的内部缺陷就应该是冶金缺陷;如果粗加工之后的检测还没有发现缺陷，而在性能热处理后出现问题，那么缺陷大多与之前的过程无关。除非是这样的情况:由于锻后热处理过程不充分，或是钢锭中原始氢含量严重超标，白点会在产品中延迟产生，但这是比较容易判断的。

然而，即使是随着检测设备和技术的不断进步，以及检测经验和技巧的不断积累，也仍然不能完全准确地确定钢锭中的缺陷显示。

1 超声检测主要缺陷分类

1.1 底波严重降低或消失

(1)空洞类缺陷

如缩孔、疏松、内部裂纹、白点、内部撕裂等，该类缺陷大量吸收声波。这类缺陷波有比较明显的特征，相对独立，波形尖锐，时常伴有游动信号，严重时F＞B，甚至底波完全消失。

(2)粗晶

波形呈密集草状波形态，比较容易识别。因为晶界处原子排列紊乱，空隙较多，材料的致密度较低，所以吸收声波情况严重。

1.2 底波降低量不大

(1)固体类缺陷

如密集或单个夹杂物、钢锭冒口或底部夹渣、折叠裹入、异金属、偏析、析出物、局部混晶等。这些缺陷存在于经锻造压实后的基体中，由于材料的致密度比较高，所以吸收底波较少，常常会有二次以上的底波。对于截面较小的锻件，甚至会有四次以上底波。随着冶炼技术的提高，像异金属和偏析一类的缺陷已经很少见到了。

(2)应力集中缺陷

该类缺陷的波形很像密集夹杂物，通常发生在轴类锻件上。因轴类件弯曲较大，若采用冷较直则其内部应力集中可导致缺陷显示。一经回火便可消除。

2 超声波检测假象实例

超声检测假象最常见于异形、有台阶或表面粗糙的锻件，如筒类锻件、矩形锻件、黑皮检测薄管板、轴类锻件靠近台阶附近等。因表面粗糙或存在台阶、棱角、锤印、斜面等因素，致使声波大量反射、折射，形成类似“海市蜃楼”的现象。最典型的检测假象是:只在一个方向上发现缺陷，而其它方向没有。但对于黑皮检测的薄管板和轴类锻件靠近台阶附近的缺陷显示，就需要丰富的经验和熟知热加工过程来判断了。下面列举6种超声检测假象。

2.1 单方向缺陷波

20世纪80年代，某重机厂在对一个锻件进行超声检测时，发现内部有一个∅26 mm的单个缺陷，而基体中其它地方没有显示缺陷。更奇怪的是，缺陷波只在一个方向有，其它两个方向没有。于是，在质量分析会上，根据该炉钢水的冶炼、精炼、浇注过程分析，认为不可能有这么大的非金属夹杂混入。况且，如果真是非金属夹杂物，那么在检测的三个方向都应该有缺陷波显示才对。最后，大家比较倾向于一种说法:可能是一块没有充分溶解的异金属，在锻造过程中，由于某方向变形比较集中，被压成非常薄的扁片，所以只能在一个方向显示缺陷。为了验证这个推断，决定进行认真的解剖。首先锯切到接近缺陷的截面，然后再用铣床边铣边腐蚀观察。不料，直到铣过了位置许多，也没有发现基体材料中有什么异常或缺陷。

还有两次类似的经历，一次是在一件42CrMo锻件中发现∅30 mm的单个缺陷，也是只有一个方向检测有显示，其它两个方向上没有;另一次在一件32CrNi3MoV锻件中出现∅32 mm的单个缺陷。经过正火+回火处理后，没有任何变化。最后用小变形改锻成其它形状的锻件，再检测时缺陷便消失得无影无踪。显然这两次也都为检测假象。

2.2 大型薄管板的检测假象

2003年某厂生产了3件20#钢大型薄管板，锻件尺寸为∅3 100 mm×210 mm。管板经锻后热处理后，表面打磨十字黑皮超声检测。不料在检测过程中发现内部密集缺陷十分严重。整个锻件体积内，除去靠近表面的几十毫米外，底波几乎完全消失，缺陷当量达∅10 mm～∅20 mm。

对此我们进行了认真分析。制造锻件的钢坯质量一直比较稳定。锻造时，为了防止内部撕裂，严格按照工艺规定的窄进砧进行操作，锻后热处理也一切正常。考虑到金属流动的规律，像这种截面比较大的薄饼类锻件，成形时心部的料不容易向外赶出，自然会形成外圆薄、中间厚的伞状斜面形状，再加上由于窄进砧造成的无数个锤印，在超声波检测时，会形成底波多次斜面反射，这样就极易出现检测假象。于是，我们决定先加工一个平面再进行检测。在车光一个平面复检时发现，3件管板中，一共只存在6个单个超标缺陷。等到再车光另一个平面后，锻件内已无任何检测缺陷，可谓干干净净同白纸一般。

2.3 矩形锻件检测假象

2009年，某厂生产两件矩形截面阀体，锻件单重约4.7 t。在六面见光后，检测发现整个体积内布满密集缺陷。根据底波降低量不大的情况分析，应该定性为固态缺陷，也就是非金属夹杂物缺陷。

但是考虑到生产锻件的钢锭质量一向比较稳定，似乎还未出现过如此大面积的超标缺陷。此外还注意到，除了主平面显示的缺陷比较严重外，另外两个平面的检测结果有所差异，而且与主平面检测对应的严重缺陷位置，在侧面检测时却并不明显。所以，怀疑此缺陷可能为检测假象。

检测人员反复观察对比几个平面的光洁度，感觉有一个侧面似乎粗糙了一点点。于是，他安排车工将这一个侧面重新光刀。结果，再次检测时，锻件内部竟然也干净得像一张白纸，找不到一个明显缺陷。

2.4 带锥度的锻件检测假象

某大型管箱座锻件材料为20MnMo，重量12 567 kg，锻件带锥度主要检测面规定为端面。当加工至内外表面见光、进行端面检测时，发现内部密集缺陷严重超标，并且从外圆检测也有缺陷。

分析认为，锻件所用的真空精炼钢锭质量十分可靠，几年来未出现过严重质量问题。端面检测发现的密集缺陷，可能与锻件带有锥度、又被车成许多小台阶棱面有关。另外还发现，从上端面检测时，缺陷最严重的区域位于产品的下半部，而从下端面检测时，缺陷的严重区域又转移到了上半部，并且与外圆复验的结果也不太吻合。据此，判断为检测假象，指示车间继续加工，直至内外表面全部光滑、没有任何台阶时，再进行复检，结果并未发现任何明显的缺陷信号。

2.5 长筒类锻件端面检测假象

2012年12月，某公司生产3件带台阶的泵壳体，材料为A105MY，锻件单重19 640 kg。经过锻造和锻后热处理之后，毛坯检测并没有发现缺陷。但是在加工出台阶、进行端面检测时，发现底波衰减约10 dB。分析认为是内部存在轻微粗晶混晶，以为经过调质处理后自然会得到改善。但没有料到的是，调质后再进行端面检测时，底波衰减反而增大到30 dB。为保证最后处理一次合格，又增加了一次正火，然后再进行调质。结果事与愿违，出炉冷却后发现，底波衰减程度不但没有得到改善，反而因为热态变形，使筒子的高度减少了100 mm左右，致使3个锻件因尺寸不足全部报废。

事后分析认为，这3个锻件应该都是质量合格的产品，因为从外圆检测是没有发现任何缺陷的。但是在加工出台阶时，从端面的检测会产生两个效果:①如前所述，带有台阶的长筒端面检测时极易出现假象;②对长度为1 700 mm的长筒进行端面检测，不但对仪器的灵敏度是个考验，而且声波需要穿透数以万计的晶界，由于在晶界处原子排列紊乱、空隙较多，必然要吸收或损失掉一部分底波，造成底波衰减的现象。所以，建议对长度较大的筒体检测时，应以壁厚方向为主，端面检测只作为参考。

那么，为什么调质处理后，底波衰减会进一步增大呢?这个现象就是与假象有关。因为在热状态下，筒体会因自重而产生变形，在壁厚方向发生弯曲，使得端面检测时声波发生折射，使假象进一步扩大。

2.6 不规范的热处理过程造成的检测假象

2012年，某厂生产一件20MnMo管板，锻件尺寸为∅2 300 mm×600 mm，交货重量超过17 t。材料选用真空精炼钢锭。在经过锻造和热处理之后，毛坯检测结果非常好，几乎未发现任何很小的缺陷。在粗加工见光后复检，情况仍然如此。但由于出现其他特殊情况，该管板只能在容积只有40 t的水槽内淬火，这远少于该锻件所需大约120 t水的标准规范。在强行淬火调质后，复检时发现:除去靠近外圆100 mm左右、靠近上下表面几十毫米外，整个锻件内部布满了密集缺陷。从波形和底波降低量不大的情况看，很像是弥散分布的夹杂物，但这显然与先前3次检测的结果不符。当然也不会是白点，因为从锻后热处理出炉至调质前，已经过一个多月，且该锻件为真空精炼钢锭，氢含量本来就不高，正回火工艺又很充分。

最后，决定将该锻件改制成一个中心带有小孔的圆饼类锻件。加热保温后，只施加了不大的变形量。锻后热处理结束后的无损检测，又与前几次的良好结果相同，没有发现任何缺陷。

分析认为，该锻件在不规范热处理之后生产的大量内部缺陷，极可能是某种热态组织。原因是由于水槽太小，淬火时出现严重“开锅”现象，使得锻件内部温度场产生紊乱，热流来回涌动，造成了非正常组织的出现。

当然，从今天我们所掌握的热处理理论知识来看，对于这种带有热态组织的锻件，只需加热到大约1 030℃高温，先将组织还原，然后再细化晶粒、重新调质处理，又可重新获得组织正常的合格产品。

3 结论

准确识别和判定超声检测缺陷需要以广博的理论知识和丰富的实践经验做基础。熟悉冶炼、浇注、热加工过程及钢锭内部原始缺陷的种类分布，了解锻造及热处理过程中的异常现象，有助于准确判别缺陷，并且能为企业采取正确的处理方法提供有效的帮助。

［1］ 任猛，王祖唐，刘庄.有效压实锻造法.中国发明专利第10650号。

编辑 肖红原

Defect Analysis and False Recognition in Ultrasonic Testing

Ren M eng，Yang Chunhua，Zhang Guowei，Peng Renchun，Zhou Zhenfu

It is the duty of NDT personnel to determine the defects in ultrasonic testing and to describe their causes and formation process in detail.Accurate reportof the testingwill be useful to improve the quality of products andmanufacture process.Typical examples based on experience will be offered as follows.

ultrasonic testing;defect analysis;false recognition

TG316

B

2013—05—24