Automobile Technology & Material
超声波探伤技术在转向节过热过烧缺陷检测中的应用
130011） （中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 摘要：为实现对含有热处理组织缺陷而误装车的转向节进行质量安全隐患排查，现场通过采用超声波纵波多次反射法进行试验验证，确定了该方法对热处理导致的过热过烧组织类缺陷检测的可操作性和结论可靠性，在保证现场不拆车的情况下，首次将超声波探伤技术应用于转向节组织晶粒粗大及沿晶界开裂缺陷的随车检测，丰富了过热过烧组织缺陷的检测手段和检测效率，从而及时排除质量隐患并最大限度地降低因拆车、重装产生的人力及时间成本。同时为今后解决类似生产质量问题提供了可借鉴的技术方
1 前言
转向节是汽车转向桥总成中的关键零部件之一，具有承载汽车前部载荷，支撑并带动前轮绕主销转动，以及实现汽车灵活转向和正常行驶的作用，转向节的可靠性直接影响到汽车的正常行驶
[1]。锻造转向节的工艺流和车载人员的生命安全程一般为材料检测、下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、校正、冷却后转调质处理、加工，其中锻造和调质热处理对转向节的机械性能有非常重要影响。某重型卡车下线行驶未超过一公里，前桥一侧转向节断裂，前轮脱落险些造成重大事故，因此生产单位质保部向有关整车发送站、中转站发出紧急限售令，同时委托检测部门分析该转向节断裂原因。
作者简介：高东宏（1985—），男，技师，学士学位，研究方向为无损检测技术应用。
转向节在实际生产中只进行表面磁粉探伤排除表面区域缺陷，未进行内部缺陷检测。通过对送检样品深入分析确定其断裂原因是在锻造或调质热处理过程中，材料组织过热过烧，沿晶界出现微裂纹在整车下线行驶过程中裂纹扩展导致断裂。这种内部组织缺陷在表面磁粉探伤检测中无法发现，从而流入装配线且装车已达数百辆。通常过热过烧缺陷在批量产品中所占的比例不是很大，为保证误装车转向节的质量并避免造成重大安全事故与客户高额索赔等，最大限度地降低因拆车、重装造成的人力及时间成本，急需一种快捷、简便、可靠的无损检测方法，对已装车的问题
100%现场检测分选。目前常规五大无转向节进行损检测方法中超声波检测与射线检测可以检出内部缺陷，射线检对材料组织类缺陷不敏感，但材料过热过烧导致的组织晶粒粗大及沿晶界开裂的缺陷对超声波具有强烈的散射衰减作用。使用超声波反射法对过热过烧类缺陷检测时，可能仅收到
强度很低的杂乱反射波、甚至收不到任何反射波，因此为解决此次过热过烧质量问题提供了可靠有
[2]。将超声波探伤技术应用于汽车效的检测方法转向节的过热过烧缺陷的检测，提高了过热过烧组织缺陷的检测能力和检测效率，同时保证了整车企业产品质量且大大降低经济损失。
2 转向节断裂分析2.1
断口形貌特征
转向节在靠近法兰根部附近发生断裂，宏观断口上未发现明显的塑性变形区域，应该属于一次性
1 2
的脆性断口，如图 和图 所示。利用扫描电子显
3 4
微镜观察断口的微观形貌，如图 和图 所示，转向节的微观断口呈沿晶状形貌，晶粒粗大，同时晶界发生熔化并在晶界处产生了大量的微裂纹。
2.2 化学成分分析在转向节断口附近切取试样，采用光电直读
GB/T 4336—2016
光谱分析仪，根据 进行化学成分
1。检验结果表明，转向节的化学
检验，结果见表
40Cr
成分符合 钢的技术要求。2.3 金相组织检验
在转向节上切取试样经粗磨、细磨、抛光和腐
5
蚀后观察金相组织，如图 所示。由图可见，转向节的金相组织为回火索氏体加少量铁素体，部分晶界熔化，沿着晶界产生大量的微裂纹，这与过热
过烧特征相吻合[3]
。2.4 力学性能检验
在断裂转向节上取样加工标准拉伸试样进行拉伸性能和硬度检验，测定材料的强度、塑性和硬2。检验结果表明，转向节
度等性能，检验结果见表的强度、塑性和硬度等性能指标不符合技术要求。
综合上述分析可知，转向节在锻造加热过程中温度较高，产生了过热过烧缺陷，导致晶粒粗大晶界熔化，并在晶界处产生微裂纹。过热过烧是一种严重的热处理缺陷，降低材料的强度、塑性和韧性，极易使零部件发生突发性的脆性断裂，因此，过热过热缺陷是导致转向节发生一次性脆性断裂的直接原因。3 转向节的超声波探伤检测与典型波形分析解释
3.1 超声波探伤检测方法的选择与论证
3.1.1
可行性
5
常规的 项无损检测方法对各类缺陷的检出能力具有各自的局限性和优越性。必须根据破坏性检测的结论、明确检测目的，对检测技术进行分
析和选择[4]
。本次检测要求检出转向节材料过热导致的晶粒粗大及过烧导致的心部组织晶界氧化开裂。涡流检测和超声吸收衰减法检测对材料内部组织过热、过烧现象都具有高度敏感性，组织过热、过烧必然导致晶粒粗大或产生晶界裂纹，对超声波具有强烈的散射衰减作用。涡流检测对零部件表面以下的探测深度受到频率、耦合因子等因素的限制，零部件材料不同时涡流也相应地会有所不同，这常常产生模棱两可的结果，对开口很小的裂纹不太敏感，零部件表面的光洁度、平整度、边界等对涡流检测都有较大影响。针对检测内部晶界裂纹而言涡流检测具有一定的误判率，而使用超声反射法检测组织内部晶界开裂时，可能仅收到强度很低的杂乱反射波，甚至收不到任何反射波，这样的缺陷反射波形态会明显区别于正常样件的反射波，因此超声波检测组织过热过烧缺陷具有较
大的可行性[5]
。
3.1.2
简易性检测设备及方法的简易性能够有效降低检验成本，提高检验效率，是本次检验工作重要目标之一。通过现场观察，涡流检测仅适用于在生产线上对尚未装配的转向节进行检查，而超声检测仅需将商品车前轮毂轴头密封盖打开，即可达到检
100%的测要求。不需拆车且检测速度快，可实现
[6]。故确定本次检测的首选方法是超声现场检测波单晶直探头反射、吸收衰减法。
3.1.3
可靠性现代无损检测与评价技术必须建立在破坏性检测结论的基础上，并经过验证才具有可信度。检测人员应熟知被检材料及被检工件的工艺知识，对工件内在缺陷的性质、位置、分布、形状、尺寸、取向要有预先的评估，有针对性地制定合理的工艺规程，完善检测条件。同时应具备对检测时所产生的物理现象和对所获得的信息进行理论分析并作出解释的能力[7]
。
3.2 检测设备与检测工艺条件的确定
超声检测具有非直观性，其工作难点在于缺乏仪器调试时所需要的试块或内部具有被检缺陷的完整样件，且超声波反射波受工件内部缺陷的性质、位置、分布、形状、尺寸、取向的影响导致波形的差异性和相似性多样化。因此检测工艺条件的正确性，检测结论的可靠性在很大程度上均取决于检测人员的水平与经验进行设定与判定[8]。经综合考虑并确定采用如下列工艺条件进行试检。
3.2.1
超声波检测设备及工艺条件
A.设备：CTS—2000
型数字式超声波探伤仪；
b.探头类型：φ20 mm
单晶纵波探头；
c.探头频率：5 MHZ；
D.耦合剂：TM—100
超声耦合剂或黄油；
e.探测范围：250 mm；
f.材料声速：5 900 m/s；
g.脉冲移位：50 mm；
h.发射强度：低； i.检验方法：单探头反射、吸收衰减法； j.仪器灵敏度：64 db；
4
k.检测位置：转向节轴端头、分为 点检测。3.3 超声波的现场检测结果对与断裂样品同批次的转向节进行超声波探
141 282
伤检测，共检车 辆，计 件转向节，检测结果
3
如表 所示。
3.4 抽样超声波检测的典型波形分析
从断裂转向节的同批次样件中选取超声波
1 ZC-1
检测波形正常样件 件并编号为 ，波形异
4 YC- 1、YC- 2、YC- 3
常样件 件并依次编号为 、
YC-4, 5
分别对以上 件样品进行超声波复检，结果如下。
ZC- 1
a.编号为 的样件超声波检测波形图见
6
图 所示，该波型底波反射强，未见任何缺陷反射波。说明工件材料内部组织晶粒细，无开裂迹象，是合格工件超声检测时典型波型图。
YC- 1
b.编号为 的样件超声波检测波形图见
7
图 所示，该波型底波反射较弱，仅达示波屏满幅度
45%、底波前连续分布有缺陷反射波。说明工件
的材料内部组织晶粒较粗，为过烧工件材料内部组织晶界氧化开裂超声检测的典型波型图。该类工件断裂倾向极大，具有高度危险性，必须更换。
YC-2 c.编号为 的样件超声波检测波形图见8
图 所示，该波型底波反射全消失，底波前仅有单
个缺陷反射波。说明工件材料内部组织晶粒较细，但在转向节轴颈附近有一个大面积断裂层。为工件横向淬火裂纹超声检测时典型波型图。该类工件断裂倾向极大，具有高度危险性，必须更换。
YC-3 d.编号为 的样件超声波检测波形图见9
图 所示，该波型底波反射基本消失，底波前未见缺陷反射波。说明工件材料内部组织晶粒粗大，为过热工件超声检测时典型波型图。虽然晶粒粗大不是此次检测目标，但该类工件脆性大、受到强冲击力时易断裂。具有中度危险性，建议更换。
YC-4
e.编号为 的样件超声波检测波形图见
10
图 所示，该波型底波反射较弱，仅达示波屏满
55%、底波前有单个缺陷多次反射波。说明
幅度的工件材料内部组织晶粒较细、但在转向节轴内有一个较大面积断裂层。为工件横向淬火裂纹超声检测时典型波型图。该类工件断裂倾向极大，具有高度危险性，必须更换。
4 可靠性验证4.1 疲劳试验验证
5
对选取超声波探伤检测的上述 件样品分别4
进行台架疲劳试验，试验结果见表 所示。
金相组织验证
5
对疲劳试验后的 件样品分别取样进行金相
ZC-1
检验，编号为 的样件金相组织晶界未氧化及
11
开裂，属于正常热处理组织，见图 所示。
YC-1
编号为 的样件金相组织晶粒粗大，晶界12
氧化明显，为过热过烧典型组织，见图 所示。
YC-2
编号为 的样件金相组织较细，但可见其13
明显的断裂层，见图 所示。
YC-3
编号为 的样件金相组织晶粒粗大，系过14
热导致，属于异常组织，见图 所示。
YC-4
编号为 的样件金相组织较细，但可见其15
明显的断裂层，见图 所示。
经疲劳试验及金相组织检验验证，试验检测结论与通过超声波探伤随车挑选出的各异常转向
14节超声检测结论相吻合，所挑选出的 件异常样件属于该批次热处理失误导致的过热过烧问题样件，需及时拆卸更换确保质量安全。
5 结束语
通过将超声波探伤技术应用于汽车转向节过热过烧组织缺陷的随车检测，实现了对转向节材料晶粒粗大、晶界裂纹的检测，该检测方法简便快捷、检测成本最低，检测结论可靠并通过疲劳试验和金相组织的验证，为今后解决类似生产质量问题提供了可借鉴的检测技术方法；本批次的部分
转向节在锻造或调质热处理过程中发生过热过烧组织缺陷，导致材料晶粒粗大、晶界熔化及沿晶界开裂，建议在转向节现生产检验过程中，使用超声波探伤技术进行内部缺陷检测，同时增设晶粒度检验项目。
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