0 引言

300M钢是国际上通用的飞机起落架用超高强度钢，具有优良的综合力学性能，在军民用飞机上获得广泛应用^[1]。为了满足大型飞机的需求，近年来生产了Φ400 mm及以上规格的300M钢棒材。由于300M钢棒材的重要用途，对其质量的要求非常严格。超声波检验是检测棒材内部质量的主要方法，通过声波在通过缺陷处时声阻抗的变化来对材料内部缺陷进行定位、定量及定性测量，可有效检测钢中的裂纹、偏析、夹杂物等缺陷^[2-3]。GB/T 4162-2008标准^[4]仅对规格Φ250 mm以下的锻轧钢棒的超声检测方法进行了规定，更大规格棒材的超声检测方法尚无明确的规定。本文通过检测参数的调整，对Φ450 mm的300M钢棒材进行探伤，并对缺陷进行了分析。

1 实验 1.1 材料

试验材料为Φ450 mm的300M钢棒材。生产工艺流程为真空感应熔炼+真空自耗重熔，材料的化学成分见表 1。

钢锭开坯锻造后经退火热处理，硬度为255HBW。晶粒度大于6级，棒材表面粗糙度≤6.3 μm。

1.2 试验方法

采用Masterscan 380超声波探伤仪沿圆周方向对棒材进行超声波检测。对探伤发现的缺陷位置进行标记，用线切割方法在缺陷位置切取30 mm×15 mm×25 mm的试样，用砂纸打磨直至发现缺陷，检验面用砂纸磨平后抛光。对缺陷进行宏观观察并用Leica DMLM光学显微镜和Camscan 3100扫描电镜进行微观分析，用Oxford能谱仪进行成分分析。

2 结果与讨论 2.1 超声波探伤

在超声波检测时，由于棒材直径达到450 mm，可采用底波计算法进行灵敏度的调整。在使用高灵敏度的情况下引起较高的杂波是检测中遇到的主要问题。试验发现，在5 MHz频率时，若采用全声程检测，噪声水平达到60%~80%，无法识别缺陷信号。针对这一情况，对大规格300M钢棒材进行全声程和半声程对比试验，测试结果见图 1。在采用半声程检测时，由于声程减小，声能相应增加，噪声水平为20%左右，信噪比较全声程检测有明显提高。但是半声程检测方法会造成25~30 mm的上表面盲区，影响检测的覆盖率。

超声波频率对缺陷的探测能力也有影响。探头频率越高，检测灵敏度和缺陷分辨力越高。但是随着频率的提高，超声波的衰减也增加。

公式(1)描述了探伤时波长与频率的关系，

$\lambda = \frac{v}{f}$

(1)

式中, f为探头频率，v为钢中纵波声速，λ为钢中纵波波长。

在给定的材料中，频率越高，波长越短，可探测的缺陷越小，通过公式(1)计算：

$ \frac{\lambda }{2} = \frac{v}{{2f}} = \frac{{5.8 \times {{10}^3}\;{\text{m/s}}}}{{2 \times 2.5 \times {{10}^6}{\text{/s}}}} = 1.16 \times {10^{ - 3}}{\text{m = 1}}{\text{.16mm}} $

即采用2.5 MHz探头可满足检测Ф1.2 mm缺陷的要求。

图 2比较了在5 MHz和2.5 MHz条件下的噪声水平。结果表明，将探头频率由5 MHz降到2.5 MHz，并采用软膜探头以增加耦合效果可以有效降低探伤的噪声水平。用2.5 MHz软膜探头在全声程条件下检测，噪声水平降至30%左右。

采用2.5 MHz频率和全声程检测方法，既具有一定的检测灵敏度，又能保证检测的覆盖率。采用此参数对Φ450 mm的300M钢棒材进行探伤，探伤结果见表 2，共发现4处缺陷，最小缺陷当量分别为Φ1.2 mm。典型缺陷的回波信号如图 3所示。

2.2 缺陷分析

根据超声探伤显示结果对缺陷的定位，对表 2中的1^#及2^#缺陷进行了解剖分析。两处缺陷的宏观形貌见图 4。1^#缺陷为长条形缺陷，长度约1 mm，方向平行于棒材的轴线。2^#缺陷属于聚集形缺陷，缺陷范围约2 mm×2 mm。

在扫描电子显微镜下观察，1^#缺陷裂纹形貌如图 5(a)所示。裂纹呈细长形，裂纹处镶嵌着不规则的白色块状夹杂物，最大尺寸可达100 μm。图 5(b)为裂纹的局部放大像。由图 5(b)可知，大块状夹杂物周围分布着小块夹杂，这是由于块状夹杂受力破碎造成的。对块状夹杂物能谱分析结果表明，块状物成分主要为含铝和镁的复合氧化物。能谱分析结果见表 3。

2^#缺陷的光学显微镜及扫描电镜照片见图 6。在光学显微镜下放大观察，2^#试样缺陷由形状不规则的空洞组成, 且空洞处嵌有块状夹杂物，尺寸最大达100 μm以上。

对大块的镶嵌物进行能谱分析，结果显示试样缺陷位置镶嵌物为Al₂O₃和CaO，缺陷其他部位能谱结果显示为基体成分，未发现异常。能谱分析结果见表 4。

2.3 分析与讨论

钢中非金属夹杂物按来源可分为内生和外来夹杂物，前者包括在熔化和凝固过程中钢液中各种元素发生物理、化学反应形成的夹杂物；后者包括冶炼和浇注过程中炉渣、耐火材料等与钢液发生机械作用形成的夹杂物。一般外来夹杂物的特征是：夹杂物粒径大、组成复杂、来源广泛、偶然性分布、对产品危害性能最大^[5]。

发现的夹杂物为Al₂O₃、MgO、CaO的复合氧化物，尺寸超过100 μm，属于外来夹杂物。炼钢系统耐火材料多为Al₂O₃和MgO复合材质，是外来夹杂物的主要来源之一。真空感应熔炼时，坩埚材料中的Al₂O₃、MgO等耐火材料由于受到钢液的冲刷而进入钢中^[6-7]。Ca元素则通过硅钙合金变性处理时带入^[8]。Al₂O₃属脆性夹杂物，与基体的硬度、弹性模量存在明显差异(表 5)。

在外加应力下夹杂物与基体界面上将产生应力集中，在锻造过程中会引起周围应力变大，产生裂纹，并引起自身的破碎。这不仅将降低材料的力学性能，甚至会导致零件的早期疲劳破坏。

3 结论

(1) 采用2.5 MHz软膜探头对Φ450 mm的300M钢棒材进行超声波探伤，可以降低探伤时的噪声水平，可发现材料内部最小Φ1.2 mm当量的缺陷。

(2) 钢中发现的缺陷由Al₂O₃、MgO、CaO的复合氧化物组成，成链状或不规则形状，单个夹杂物最大尺寸可达100 μm以上。上述夹杂物属于熔炼过程中引入的外来夹杂物，对材料的性能会产生不利的影响。