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嘉峪检测网 2018-09-29 15:41
齿轮轴是传动机构中的重要零件，担负着传递作用力和运动的作用。目前，对齿轮轴的检测程序一般是：
超声检测人员通过检测获得相应的参数，并依据检测获得的参数对照相关质量验收标准，对此类齿轮轴进行合格与否的判定；而对于缺陷性质的分析，一般从产生的原因及波形特征方面来分析。在某些情况下，特定的缺陷需要特定的超声检测参数来判别缺陷的危害程度。今天，我们就来看一个大家伙，这根齿轮传动轴的最大直径达1米，在使用中起着重要的作用，因此对它内部缺陷进行正确分析与判断，不仅有利于齿轮轴合格与否的判定，而且对于制造工艺的改进，减少废品的产生都有重要意义。
齿轮轴的超声检测
齿轮轴外观
对该齿轮轴进行超声检测时，发现在完好部位出现多次底面回波，且无缺陷波显示。
无缺陷部位底波显示
在有缺陷部位，即齿轮轴的中心部位，出现了明显的缺陷回波，并伴随着底波完全消失。
缺陷部位的波形显示
超声波检测时发现缺陷的基本情况如下图所示：图中所示A段缺陷的最大当量为ϕ7.5mm，一般在当量ϕ2~5mm之间，缺陷位于轴的中心ϕ100mm左右，缺陷对底波的影响最严重处，底波降低量大于26dB。
缺陷分布位置示意
超声检测发现的缺陷已经超出了相关质量验收标准的要求，但对于缺陷性质的判定以及产生原因还需要进一步分析。
制造此齿轮轴的前期工艺流程为：
浇铸钢锭→锻造→粗加工→超声波检测→调质热处理→半精加工→超声波检测→发现问题。
可能产生缺陷的阶段有：浇铸钢锭、锻造和调质热处理阶段，但是在粗加工后的超声检测阶段没有发现问题。因此，产生缺陷的阶段就有可能是调质热处理。如果对粗加工后的超声检测结果产生怀疑，那么缺陷产生阶段将扩大到粗加工前。
对缺陷分析更直接和有效的方法是将缺陷解剖并进行金相分析。考虑到齿轮轴的尺寸和缺陷分布的特点，采用直径约为200mm的试棒，并对试棒进行解剖。
试棒外观及其超声检测波形
将试棒沿垂直于轴向方向锯开，可以看到如下图(a)所示的开口性缺陷。对缺陷进行超声检测，得到如下图(b)所示的波形。从直观上看缺陷可能是缩管或裂纹，还需要进一步取样进行金相分析。
解剖后缺陷外观及缺陷波形
试样的金相检验
在缺陷处切取试样，沿下图标识的直线开槽压断口。
试样裂口外观及其放大照片
试样断口外观及其放大照片
可见，压断部位断口正常，没有发现白点、夹杂、裂纹等缺陷，在孔洞附近未发现夹杂物和氧化皮等异物，断口表面粗糙不平。将试样磨制、抛光后，在金相显微镜下观察夹杂物，按标准GB/T 10561《钢中非金属夹杂物含量的测定》对其评级，试样的缺陷部位与正常部位的夹杂物均不超标；把试样浸蚀后，在显微镜下观察，其组织为珠光体+铁素体+索氏体。
在裂纹处取试样，置于电镜下观察，内部裂纹表面较粗糙，高倍下观察其全部为韧窝状断口，没有光滑自由表面。
裂口处韧窝形貌
粗糙的内裂断口形貌
在室温下，压断断口表面较平坦，主要为解理、准解理断口，少量韧窝断口。
室温下的压断断口形貌
解理断口形貌
金相检验结果分析
1、齿轮轴心部位缺陷位置表面粗糙不平，且无氧化，并在电镜下观察发现断口全部为韧窝状，没有自由表面存在。宏观观察和微观分析也没有发现非结晶条带，说明该孔洞缺陷并非晶间疏松、缩孔、缩管残余、二次缩管等缺陷，而是在后期处理过程中产生的裂纹。
2、该裂纹原始表面粗糙，电镜下观察断口完全呈现韧窝状，而压断断口则呈脆性断裂的解理状和少量韧窝状，说明原始裂纹是在较高温度下形成的。
3、大型轴类锻件在热处理冷却过程中，活件表层和心部分别先后冷却，在冷却后期外部金属已经冷却至低温并发生组织转变，形成强度和硬度较高的外壳，而这时心部金属的温度还高于外部；当心部金属继续冷却时，其体积将随之收缩，而此时外层金属所形成的坚硬外壳将阻碍心部金属的收缩；从而在活件的中心部位形成以热应力为主的3向拉应力，其最大拉应力作用在截面的中心处(活件长度方向和直径方向的中心部位)。有时心部金属在这种3向拉应力的作用下，其自身强度将不足以抵抗巨大的拉应力，从而发生开裂。因此对于大型工件，有时即使在缓速中淬火也会有裂纹产生。
4、另外，本件齿轮轴心部组织存在较严重的微观偏析现象。该组织偏析的存在显著降低了材料的强度，特别是在冷却过程中裂纹通常沿材料中的薄弱环节扩展。
5、由于大型锻件心部组织在淬火冷却时通常不发生马氏体相变，因此具有较好的塑性变形能力；活件裂开后，随着应力的释放，裂纹扩展的势头被显著遏制并停止扩展；同时裂口两边将在拉应力消失后发生回复性的塑性变形，从而导致裂口外观呈现孔状而非通常的扁平状。
6、此外，解剖的齿轮轴内部裂纹走向为与轴向呈约45°角的纵向裂纹，而解剖方向为横向，内部裂纹扩展方向示意如下图所示，从而导致在解剖所得截面上直接看到的断面两边不完全对称，类似于孔洞的现象。
内部裂纹扩展方向示意
结论
(1) 在超声检测锻件时，缺陷引起的底波降低量的大小对缺陷的危害性判定起着重要作用。
(2) 特定条件下产生的裂纹形状类似孔形。
(3) 大型锻件淬火时，应预防由心部应力产生的裂纹。
来源：无损检测NDT
