齒輪軸外觀

對該齒輪軸進行超聲檢測時，發現在完好部位出現多次底面回波，且無缺陷波顯示。

無缺陷部位底波顯示

在有缺陷部位，即齒輪軸的中心部位，出現了明顯的缺陷回波，并伴隨著底波完全消失。

缺陷部位的波形顯示

超聲波檢測時發現缺陷的基本情況如下圖所示：圖中所示A段缺陷的最大當量為?7.5mm，一般在當量?2~5mm之間，缺陷位于軸的中心?100mm左右，缺陷對底波的影響最嚴重處，底波降低量大于26dB。

缺陷分布位置示意

超聲檢測發現的缺陷已經超出了相關質量驗收標準的要求，但對于缺陷性質的判定以及產生原因還需要進一步分析。

制造此齒輪軸的前期工藝流程為：

澆鑄鋼錠→鍛造→粗加工→超聲波檢測→調質熱處理→半精加工→超聲波檢測→發現問題。

可能產生缺陷的階段有：澆鑄鋼錠、鍛造和調質熱處理階段，但是在粗加工后的超聲檢測階段沒有發現問題。因此，產生缺陷的階段就有可能是調質熱處理。如果對粗加工后的超聲檢測結果產生懷疑，那么缺陷產生階段將擴大到粗加工前。

對缺陷分析更直接和有效的方法是將缺陷解剖并進行金相分析。考慮到齒輪軸的尺寸和缺陷分布的特點，采用直徑約為200mm的試棒，并對試棒進行解剖。

試棒外觀及其超聲檢測波形

將試棒沿垂直于軸向方向鋸開，可以看到如下圖(a)所示的開口性缺陷。對缺陷進行超聲檢測，得到如下圖(b)所示的波形。從直觀上看缺陷可能是縮管或裂紋，還需要進一步取樣進行金相分析。

解剖后缺陷外觀及缺陷波形

試樣的金相檢驗

在缺陷處切取試樣，沿下圖標識的直線開槽壓斷口。

試樣裂口外觀及其放大照片

試樣斷口外觀及其放大照片

可見，壓斷部位斷口正常，沒有發現白點、夾雜、裂紋等缺陷，在孔洞附近未發現夾雜物和氧化皮等異物，斷口表面粗糙不平。將試樣磨制、拋光后，在金相顯微鏡下觀察夾雜物，按標準GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對其評級，試樣的缺陷部位與正常部位的夾雜物均不超標；把試樣浸蝕后，在顯微鏡下觀察，其組織為珠光體+鐵素體+索氏體。

在裂紋處取試樣，置于電鏡下觀察，內部裂紋表面較粗糙，高倍下觀察其全部為韌窩狀斷口，沒有光滑自由表面。

裂口處韌窩形貌

粗糙的內裂斷口形貌

在室溫下，壓斷斷口表面較平坦，主要為解理、準解理斷口，少量韌窩斷口。

室溫下的壓斷斷口形貌

解理斷口形貌

金相檢驗結果分析

1、齒輪軸心部位缺陷位置表面粗糙不平，且無氧化，并在電鏡下觀察發現斷口全部為韌窩狀，沒有自由表面存在。宏觀觀察和微觀分析也沒有發現非結晶條帶，說明該孔洞缺陷并非晶間疏松、縮孔、縮管殘余、二次縮管等缺陷，而是在后期處理過程中產生的裂紋。

2、該裂紋原始表面粗糙，電鏡下觀察斷口完全呈現韌窩狀，而壓斷斷口則呈脆性斷裂的解理狀和少量韌窩狀，說明原始裂紋是在較高溫度下形成的。

3、大型軸類鍛件在熱處理冷卻過程中，活件表層和心部分別先后冷卻，在冷卻后期外部金屬已經冷卻至低溫并發生組織轉變，形成強度和硬度較高的外殼，而這時心部金屬的溫度還高于外部；當心部金屬繼續冷卻時，其體積將隨之收縮，而此時外層金屬所形成的堅硬外殼將阻礙心部金屬的收縮；從而在活件的中心部位形成以熱應力為主的3向拉應力，其最大拉應力作用在截面的中心處(活件長度方向和直徑方向的中心部位)。有時心部金屬在這種3向拉應力的作用下，其自身強度將不足以抵抗巨大的拉應力，從而發生開裂。因此對于大型工件，有時即使在緩速中淬火也會有裂紋產生。

4、另外，本件齒輪軸心部組織存在較嚴重的微觀偏析現象。該組織偏析的存在顯著降低了材料的強度，特別是在冷卻過程中裂紋通常沿材料中的薄弱環節擴展。

5、由于大型鍛件心部組織在淬火冷卻時通常不發生馬氏體相變，因此具有較好的塑性變形能力；活件裂開后，隨著應力的釋放，裂紋擴展的勢頭被顯著遏制并停止擴展；同時裂口兩邊將在拉應力消失后發生回復性的塑性變形，從而導致裂口外觀呈現孔狀而非通常的扁平狀。

6、此外，解剖的齒輪軸內部裂紋走向為與軸向呈約45°角的縱向裂紋，而解剖方向為橫向，內部裂紋擴展方向示意如下圖所示，從而導致在解剖所得截面上直接看到的斷面兩邊不完全對稱，類似于孔洞的現象。

內部裂紋擴展方向示意

結論

(1) 在超聲檢測鍛件時，缺陷引起的底波降低量的大小對缺陷的危害性判定起著重要作用。

(2) 特定條件下產生的裂紋形狀類似孔形。

(3) 大型鍛件淬火時，應預防由心部應力產生的裂紋。