金属材料内部微小缺陷探测方法与流程

本发明涉及金属材料质量检验技术，具体地指一种金属材料内部微小缺陷探测方法。

背景技术：

金属材料在冶炼工艺中引入的内部缺陷如果尺寸过大，其疲劳性能将会大大降低，这也将会严重缩短其服役性时间，甚至会因材料的过早破坏导致严重的安全事故。因此，金属材料，比如：3D打印金属材料或焊接结构，出厂后的探伤对于保障材料的安全应用意义重大。传统的金属材料探伤方法包括x射线探伤法和超声波探伤法，这些方法都有各自的缺点。其中，x射线探伤法对体积型缺陷敏感，但对线状缺陷特别是细小微裂纹难于发现，且x射线探伤法难以探测到0.5mm以下的缺陷；另外，x射线对人体有害。而超声波探伤法直观性较差，探测结果只是定性显示，无法准确定量获得缺陷尺寸。

当金属材料内部存在缺陷时，在受交变疲劳载荷作用下，试样内部的缺陷将成为疲劳裂纹源，一般疲劳裂纹首先在尺寸最大的缺陷周围形成、扩展长大并导致金属材料结构的最终破坏。超声疲劳试验技术是一种加速疲劳试验方法，其振动频率高达2.0×10⁴Hz，可以快速完成疲劳试验，例如：完成一个10⁷的疲劳试验，采用40Hz液压伺服疲劳试验机需要连续不间断的工作69.5小时，耗费大量的时间成本，而采用超声疲劳试验技术仅需要约20分钟的时间。超声疲劳试验技术是疲劳测试领域的一项革命，极大的提高了试验效率和研发效率，目前广泛用于金属材料的超高周疲劳性能测试。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种金属材料内部微小缺陷探测方法，该方法能快速、直观、定量地确定金属材料中的缺陷，且可以探测到极小尺寸缺陷。

为实现上述目的，本发明所设计的金属材料内部微小缺陷探测方法，包括以下步骤：

1)根据待探伤金属材料的弹性模量和密度值设计截面呈圆形且含等截面段和变截面段的超声疲劳试样，试样尺寸按如下公式设计：

其中：L₃为试样两端部长度，ω为角频率,ω＝2πf,f为试验系统频率，取值为2.0×10⁴Hz，c为谐振波在材料中的传播速度；ρ为金属材料的密度；E为金属材料的弹性模量；R₁为试样等截面段半径；R₂为试样两端部半径；L₁为试样等截面段总长度的一半；L₂为试样变截面段长度

2)将试样安装在超声疲劳试验机上进行疲劳试验，直至试样断裂；

3)观察断裂试样断口，测出试样断口上的缺陷尺寸，即为金属材料的最大缺陷尺寸。为便于计算，前述试样尺寸中的参数采用mm，g，ms的量纲，即：长度尺寸单位为mm，质量单位为g，时间单位为ms，其他参数通过计算统一成mm，g，ms的单位；如：密度ρ采用g/mm³。

进一步地，所述步骤2)中，将试样的等截面段进行表面强化处理。

进一步地，所述步骤2)中，将试样的等截面段进行喷丸处理，使试样表层的硬化层深度达到0.1～0.3mm。

进一步地，所述步骤2)中，对试样等截面段进行抛光打磨处理，达到的使试样的表面粗糙度为0.2～0.4μm。

更进一步地，所述试样的一段设有用于和超声疲劳试验机相连接的外螺纹。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

其一，本发明提供了一种利用超声疲劳试验技术来确定金属材料内部微小缺陷的方法，解决了x射线探伤法只能探测0.5mm以上的缺陷，而对于0.5mm以下的较小缺陷无法探测到的问题，通过本发明可以确定金属材料内部0.1mm以下甚至是10μm以下的微小缺陷，相比现有的探伤方法，其直观性强，探测范围和精度极高。

其二，本发明解决了超声探伤法直观性较差，探测结果只是定性显示，无法准确定量获得缺陷尺寸的问题，通过本发明可以定量的确定缺陷的形状、尺寸甚至是缺陷的化学成分。

其三，利用超声疲劳试验机进行疲劳试验，试验速度快，可以大大的提高探伤效率。

其四，本发明对试样表面进行强化处理，从而确保试样进行超声疲劳试验时，从内部最大缺陷处发生疲劳破坏；再从试验断口进行显微观察，即可准确得到最大缺陷的形状和尺寸，本发明确保了试样在最大缺陷处起裂，测出的最大缺陷尺寸十分准确。

其五，本发明将试样设计成含等截面段圆弧形试样，等截面段为等应力分布，易于获得更大体积范围的最大缺陷尺寸，进一步提高了其测试结果的准确性和可靠性。

附图说明

图1为实施例1中待探伤的含等截面段圆弧形超声疲劳试样尺寸示意图。

图2为实施例1中待探伤的含等截面段圆弧形超声疲劳试样结构示意图。

图3为超声疲劳试验装置。

图4为超声疲劳试样断口处的缺陷示意图。

图5为实施例1中探测到的焊缝处直径约0.1mm的椭圆形气孔示意图。

图6为实施例2中探测到的弹簧钢中直径约4.9μm的非金属夹杂物示意图。

图7为实施例2中探测到的弹簧钢中非金属夹杂物成分的能谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

以下实施例中利用超声疲劳试验技术来确定金属材料内部微小缺陷的具体操作步骤如下：

1)根据需要探伤的金属材料的弹性模量和密度值来设计如图1中所示的含等截面段圆弧形超声疲劳试样(截面呈圆形且含等截面段和变截面段的超声疲劳试样中的一种)尺寸，设计公式如下式(1)所示：

其中ω为角频率,ω＝2πf,f为实验系统频率，取值为2.0×10⁴Hz，c为谐振波在材料中的传播速度,ρ为材料的密度；E为材料的弹性模量；

含等截面段圆弧形超声疲劳试样在谐振过程中，试样的等截面段区域为等应力分布，易于获得更大体积范围的最大缺陷尺寸。前述试样尺寸设计公式的计算步骤如下：

(1)测量需要探伤材料的密度ρ和弹性模量E。

(2)对含等截面段圆弧形轴向拉压超声疲劳试样进行解析计算：

1.1拟定R₁，R₂，L₁，L₂数据，R₁为试样等截面段的半径，R₂为试样两端处的半径，L₁为试样等截面段总长度的一半，L₂为试样变截面段长度；在以下的演算过程中，为便于计算，采用mm，g，ms的量纲，即尺寸单位为mm，质量单位为g，时间单位为ms。其他参数通过计算统一成mm，g，ms的单位；例如密度ρ＝7850kg/m³＝7850×10³g/(10³mm³)＝7.85×10^-3g/mm³。

1.2根据式(1)计算试样两端处的长度L₃。

2)根据前述确定的超声疲劳试样尺寸值R₁，R₂，L₁，L₂，L₃，将需要探伤的金属材料坯料加工成如图2中所示的含等截面段圆弧形超声疲劳试样1，试样1一端有外螺纹1-1，用于和图3所示超声疲劳试验机2相连接。

3)将步骤2)加工得到的试样1的等截面段1-2进行表面强化处理，避免试样从表面开裂。可采用喷丸处理进行强化，使试样表层的硬化层深度达到0.2mm，也可通过对试样等截面段抛光打磨进行强化，达到0.3μm的表面粗糙度。

4)将试样1安装在超声疲劳试验机2上进行疲劳试验，如图3所示，至试样断裂失效(如图4所示)，一般缺陷尺寸越大，该过程耗时越短。卸下试样，将失效的试样沿轴向完全拉断。

5)将失效试样断口用显微镜或扫描电镜观察，利用图形处理软件测出试样断口上的缺陷尺寸。

实施例1

以一种焊接钢材为例，对其焊缝处进行探伤。

1)测量出焊接钢材弹性模量E＝206GPa，密度ρ＝7850kg/m³。

2)对用于探伤的含等截面段圆弧形超声疲劳试样尺寸进行设计。预先拟定尺寸参数：试样变截面段总长度的一半L₁＝15mm，试样变截面段长度L₂＝5mm，试样等截面段的半径R₁＝2mm，试样两端处的半径R₂＝5mm。由计算公式(1)可以计算出试样两端处的长度L₃＝12.16mm。

3)根据设计的尺寸参数L₁，L₂，L₃，R₁，R₂将焊接钢材坯料加工成含等截面段圆弧形超声疲劳试样，让焊缝位于试样正中间处。

4)对加工好的试样的等截面段进行抛光打磨，达到0.3μm的表面粗糙度。

5)将试样安装在超声疲劳试验机中进行超声疲劳试验，如图3所示，设置试样每振动200ms则停歇600ms，让试样有充分的时间散热。试样经过1.05×10⁶周次的循环后断裂，耗时仅3.5分钟。卸下试样，并将失效的试样沿轴向完全拉断。

6)试样断口用显微镜或扫描电镜观察，可以看出材料的内部缺陷为椭圆形气孔，如图5所示,缺陷尺寸直径约为0.1mm。

实施例2

以一种高强汽车弹簧钢为例，对其进行探伤。

1)测量出弹簧钢弹性模量E＝206GPa，密度ρ＝7850kg/m³。

2)对用于探伤的含等截面段圆弧形超声疲劳试样尺寸进行设计。预先拟定尺寸参数：试样变截面段总长度的一半L₁＝18mm，试样变截面段长度L₂＝5mm，试样等截面段的半径R₁＝2mm，试样两端处的半径R₂＝5mm。由根据计算公式(1)可以计算可得试样两端处的长度L₃＝10.02mm。

3)根据设计的尺寸参数L₁，L₂，L₃，R₁，R₂将弹簧钢坯料加工成含等截面段圆弧形超声疲劳试样。

4)对加工好的试样的等截面段进行喷丸处理，使试样等截面段表层的硬化层深度达到0.2mm。

5)将试样安装在超声疲劳试验机中进行超声疲劳试验，如图3所示，设置试样每振动200ms则停歇200ms。试样经过1.35×10⁸周次的循环后断裂，耗时约3.75小时。卸下试样，并将失效的试样沿轴向完全拉断。

6)试样断口用显微镜或扫描电镜观察，如图6所示，可以看出材料的内部缺陷为微小的夹杂物，缺陷直径约为4.9μm，如图7所示，夹杂物的扫描电镜能谱分析显示缺陷为含有Al和Ca的非金属氧化物。