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锻件探伤的一些方法和常见缺陷
超声波探伤作为一种常用、简便的无损检测手段，可以用于各种金属铸件、焊缝、管以及板材等的探伤，是现代机械制造业中不可或缺的质量控制手段。
钢锻件在现代机械制造行业尤其是汽车制造业中应用非常广泛，与普通铸件相比，经过热处理后的钢锻件具有更均匀、致密的金属组织，强韧性均得到提高，具有更好的综合机械性能。
无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。超声波探伤作为其中一种无损检测手段，具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高以及对人体无害等优点。
钢锻件中的常见缺陷
钢锻件中的缺陷大致可分为原材料缺陷和加工过程中产生的缺陷，其中原材料缺陷种类较多。常见缺陷主要有：
1．缩孔
常见于钢锭的头部（冒口端）。锻造时切头量不足，则此类缩孔将残留于锻件端头，如轴类端头。缩孔一般位于横截面中心，且具有较大的体积和轴向延伸长度。
2．疏松
疏松以原钢锭中心及头部出现居多，单个尺寸较小，但往往呈区域性弥散分布。
3．夹杂物
（1）非金属夹杂物。主要为钢中脱氧剂、合金元素等与气体生成反应物，一般尺寸较小，飘浮于钢锭中，最后挤至凝固最晚的钢锭中心区及头部聚积。在冶炼、浇注过程中混入的耐火材料或夹杂，常混杂于钢锭下部。偶然落入的非金属夹杂物，其分布无一定规律。
（2）金属夹杂物。由于冶炼时外加铁合金过多或尺寸较大所致，或者浇注时金属飞溅或异性金属落入铸模未被熔合而形成。
4．裂纹
裂纹种类很多，形成原因不一。轴心晶间裂纹多见于奥氏体钢、高合金钢的钢锭中心，裂纹沿晶界分布，呈弯曲线，尺寸大于夹杂物，且具有一定方向性。锻造或热处理不当，工件内外温差过大、截面尺寸变化剧烈均会产生裂纹，常见于锻件心部或截面变化处。
过热和过烧产生的粗大组织和脆性开裂，大多始于工件表面。锻造时将钢锭表面氧化皮或凸出部位压入钢中形成的折叠，也是变形不当形成的裂纹之一。
淬火后若不及时回火或回火不当，则热处理残余应力仍然很大，易产生裂纹，严重时会自行炸裂。
5．白点
常见于合金钢中。其本质上是由于氢脆造成的微细裂纹，其单个尺寸较大，分布较广。锻造截面变化大，锻后冷却快易形成白点。
超声波探伤
超声波和声波一样，具有在介质中传播的特性。同时，由于超声波频率比可闻声波高得多，其波长更短，加上它在固体中传播时传递能量较大，使得超声波传播时具有某些与光波类似的特性。首先将工件被检测部位处于一个超声场中，工件若无不连续分布（即无缺陷），则超声场在连续介质中的分布是正常的。若工件中存在不连续分布（即有缺陷），则超声波在异质界面上产生反射、折射和透射，使超声波的正常分布受到干扰。使用一定的方法测出这种异常分布相对于正常分布的变化，并找出它们之间变化规律，是超声波探伤的任务。
1．超声波探伤的分类
按探伤工作原理分为脉冲反射法（图1）和透射法（图2）。
（1）透射法：以测定缺陷对超声波正常传播的遮挡所造成的声影大小来确定缺陷的量值。
（2）脉冲反射法：由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
目前便携式脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式，即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射（图1），反射回来的能量又被探头接收到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。
钢锻件的超声波探伤
1．使用仪器
目前超声波探伤使用最广泛的仪器是Ａ型脉冲反射式超声波探伤仪，它具有灵敏度高、操作简便和误差较小等优点。探头主要分为直探头和斜探头两种。直探头用于纵波探伤，一般采用圆形晶片，频率多为2～5MHz。斜探头用于横波探伤，一般采用方形晶片，其频率范围为1～2.5MHz，晶片面积为140～400mm2。斜探头的折射角一般为45°，必要时可根据工件形状选用60°～70°。
2．试块
超声波试块的作用是校验仪器和探头的性能，确定探伤起始灵敏度，校准扫描线性等。主要分为标准试块和对比试块两种。以下主要介绍钢锻件探伤用的对比试块。
（1）对比试块所用的材料，应与被检测锻件具有相近的声学性能（如声速、声衰减等）和相近的规格尺寸。一般工业生产中直接使用与被检测锻件相同的材料制造所需规格的对比试块。
（2）纵波检测用的对比试块，其平底孔直径分别为2mm、4mm、8mm和16mm，平底孔深度为25mm，检测面到平底孔的金属声程推荐为20mm、30mm、50mm、80mm、100mm、120mm、150mm和200mm。
（3）检测面是平面时，选用平面对比试块（图3）；检测面是曲面时，选择与锻件大致相同曲率半径（0.7～1.1倍的曲率半径）的曲面对比试块（图4）。
（4）横波检验用的对比试块其人工缺陷可在内外表面，分别沿轴向加工成平行的矩形槽，矩形槽的轴向长度为25mm，深度可取被检锻件壁厚的3%或6mm（取其中小的值）。
3．超声波探伤检验过程
（1）检验条件。锻件检验一般应在锻件热处理之后和钻孔、开槽等加工工序之前进行。采用接触法检验时，工件表面粗糙度应小于3.2mm。
（2）耦合剂。采用接触法检验，在探头与检验面之间应使用合适的耦合剂。在工业生产中如无特殊要求一般采用机油。
（3）检验方法。根据锻件加工工艺，选择最易发现缺陷的检测面，一般应从2个相互垂直的方向进行检验。扫查时，探头在检测面的扫查间距应保证有15%的声束覆盖。扫查速度即探头相对锻件的移动速度应保持在150mm/s以下。
横波检验时，一般应从外表面按顺时针及逆时针方向作全面检验。图5所示为几种典型零件的常用探测方向。
4．操作步骤
（1）调整仪器参数。根据被探测工件，在仪器上设置相应的探测范围、声速，并使用标准试块调节探头零点。
（2）灵敏度的调整。调整超声波探伤仪的灵敏度主要有对比试块法及底波反射法。
① 对比试块法。所用的对比试块平底孔直径应与被探测工件的探伤技术条件要求相对应。如技术条件要求该厚度（声程）为H（Xf）的锻件不允许≥φf当量缺陷，则所选用的对比试块平底孔直径φB应等于φf，试块金属声程XB应等于或大于锻件厚度H（Xf），注意使用直探头时，声程等于厚度。
用直探头探测对比试块，将上述对比试块中的平底孔回波高度调整至满刻度的40%～80%（实际生产中常用80%），此时的探伤仪增益数值△dB即为检验灵敏度。
横波检验时，灵敏度的调整需要绘出距离——振幅曲线。
若条件受限，所用的对比试块与被探测工件的探伤技术条件要求不相对应，即φB不等于φf，Xf不等于XB。则需要通过声压反射系数公式先计算灵敏度调整量。计算公式如下：，式中：Pφ为被测钢锻件反射声压；Pf为对比试块反射声压。
调节时将探头置于试块探测面上，使基准发射体回波达到80%高度。然后用衰减器增益|△dB|（当△dB＜0时），或衰减△dB（当△dB＞0时）。
② 底波反射法。当工件检测面与底面平行，且厚度大于探头近场区的3倍时，可使用底波反射法调整灵敏度，或者直接使用大平底试块进行调整。
当直接使用工件底面或者使用厚度与被测工件厚度相等的大平底试块（即探测灵敏度所要求的声程Xf等于校正基准面声程XB）进行灵敏度调整时，需要提高的增益数值为：
式中：λ为超声波波长。
若使用的大平底试块厚度与被测工件厚度不等（Xf≠XB）时，则需要提高的增益数值为：

将探头置于灵敏度校正基准的探测面上，并使试块或工件底面回波达到基准高度（一般为80%），然后用衰减器增益|△dB|，此时，仪器与探头就具有在Xf声程上发现φf当量缺陷的探测灵敏度。
（3）扫描探测工件。
利用调整好的探测灵敏度按3.3扫描探测缺陷。当发现一处缺陷回波时，需将其回波高度调节至基准高度（80%），记录此时的衰减器增益值。
5．缺陷的评定
（1）单个缺陷回波。对于单个分散的缺陷回波，可以利用当量法和半波高法进行评定。
① 当量法。扫描到一处缺陷回波，声程为X，将回波高度调节至基准高度（80%）时，记录下其增益值△dB，即可利用声压反射率公式计算缺陷的当量值φ。公式如下：
② 半波高法。对于大于探头直径的线状缺陷及其他缺陷，可以用半波高法，沿锻件的周向和轴向，测定缺陷的指示长度，计算缺陷的大小（图6）。具体操作如下：
以调节好的探测灵敏度探测工件，发现缺陷后，移动探头，找到缺陷回波达到最高的点，然后调节衰减器，使最高回波达到基准高度（50%垂直幅度），再用衰减器增益6dB，使其升高到满幅。此时，即以获得最高缺陷回波的探头位置为起始点，向缺陷两边移动，直至缺陷回波回至基准高度为止，则此探头中心线移动长度即为缺陷的指示长度。
（2）密集缺陷回波。对于密集性缺陷回波，可进行如下评定：
在被检件中边长50mm的立方体内，有5个以上缺陷回波高度超过产品技术条件规定值的－6dB，称为密集性缺陷，并予以记录：利用缺陷回波出现在扫描线上的位置测定密集性缺陷的深度范围：利用探头移动过程中扫查到缺陷的分布范围，测定密集性缺陷的平面分布区域。
6．质量等级的判定
对于被测工件质量等级的判定，可参照GB/T6402-2008《钢锻件超声波检验方法》中的相关规定，必要时双方可自行商定。