本發明涉及金屬材料質量檢驗技術，具體地指一種金屬材料內部微小缺陷探測方法。

背景技術：

金屬材料在冶煉工藝中引入的內部缺陷如果尺寸過大，其疲勞性能將會大大降低，這也將會嚴重縮短其服役性時間，甚至會因材料的過早破壞導致嚴重的安全事故。因此，金屬材料，比如：3D打印金屬材料或焊接結構，出廠后的探傷對于保障材料的安全應用意義重大。傳統的金屬材料探傷方法包括x射線探傷法和超聲波探傷法，這些方法都有各自的缺點。其中，x射線探傷法對體積型缺陷敏感，但對線狀缺陷特別是細小微裂紋難于發現，且x射線探傷法難以探測到0.5mm以下的缺陷；另外，x射線對人體有害。而超聲波探傷法直觀性較差，探測結果只是定性顯示，無法準確定量獲得缺陷尺寸。

當金屬材料內部存在缺陷時，在受交變疲勞載荷作用下，試樣內部的缺陷將成為疲勞裂紋源，一般疲勞裂紋首先在尺寸最大的缺陷周圍形成、擴展長大并導致金屬材料結構的最終破壞。超聲疲勞試驗技術是一種加速疲勞試驗方法，其振動頻率高達2.0×10⁴Hz，可以快速完成疲勞試驗，例如：完成一個10⁷的疲勞試驗，采用40Hz液壓伺服疲勞試驗機需要連續不間斷的工作69.5小時，耗費大量的時間成本，而采用超聲疲勞試驗技術僅需要約20分鐘的時間。超聲疲勞試驗技術是疲勞測試領域的一項革命，極大的提高了試驗效率和研發效率，目前廣泛用于金屬材料的超高周疲勞性能測試。

技術實現要素：

本發明的目的就是要提供一種金屬材料內部微小缺陷探測方法，該方法能快速、直觀、定量地確定金屬材料中的缺陷，且可以探測到極小尺寸缺陷。

為實現上述目的，本發明所設計的金屬材料內部微小缺陷探測方法，包括以下步驟：

1)根據待探傷金屬材料的彈性模量和密度值設計截面呈圓形且含等截面段和變截面段的超聲疲勞試樣，試樣尺寸按如下公式設計：

其中：L₃為試樣兩端部長度，ω為角頻率,ω＝2πf,f為試驗系統頻率，取值為2.0×10⁴Hz，c為諧振波在材料中的傳播速度；ρ為金屬材料的密度；E為金屬材料的彈性模量；R₁為試樣等截面段半徑；R₂為試樣兩端部半徑；L₁為試樣等截面段總長度的一半；L₂為試樣變截面段長度

2)將試樣安裝在超聲疲勞試驗機上進行疲勞試驗，直至試樣斷裂；

3)觀察斷裂試樣斷口，測出試樣斷口上的缺陷尺寸，即為金屬材料的最大缺陷尺寸。為便于計算，前述試樣尺寸中的參數采用mm，g，ms的量綱，即：長度尺寸單位為mm，質量單位為g，時間單位為ms，其他參數通過計算統一成mm，g，ms的單位；如：密度ρ采用g/mm³。

進一步地，所述步驟2)中，將試樣的等截面段進行表面強化處理。

進一步地，所述步驟2)中，將試樣的等截面段進行噴丸處理，使試樣表層的硬化層深度達到0.1～0.3mm。

進一步地，所述步驟2)中，對試樣等截面段進行拋光打磨處理，達到的使試樣的表面粗糙度為0.2～0.4μm。

更進一步地，所述試樣的一段設有用于和超聲疲勞試驗機相連接的外螺紋。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

其一，本發明提供了一種利用超聲疲勞試驗技術來確定金屬材料內部微小缺陷的方法，解決了x射線探傷法只能探測0.5mm以上的缺陷，而對于0.5mm以下的較小缺陷無法探測到的問題，通過本發明可以確定金屬材料內部0.1mm以下甚至是10μm以下的微小缺陷，相比現有的探傷方法，其直觀性強，探測范圍和精度極高。

其二，本發明解決了超聲探傷法直觀性較差，探測結果只是定性顯示，無法準確定量獲得缺陷尺寸的問題，通過本發明可以定量的確定缺陷的形狀、尺寸甚至是缺陷的化學成分。

其三，利用超聲疲勞試驗機進行疲勞試驗，試驗速度快，可以大大的提高探傷效率。

其四，本發明對試樣表面進行強化處理，從而確保試樣進行超聲疲勞試驗時，從內部最大缺陷處發生疲勞破壞；再從試驗斷口進行顯微觀察，即可準確得到最大缺陷的形狀和尺寸，本發明確保了試樣在最大缺陷處起裂，測出的最大缺陷尺寸十分準確。

其五，本發明將試樣設計成含等截面段圓弧形試樣，等截面段為等應力分布，易于獲得更大體積范圍的最大缺陷尺寸，進一步提高了其測試結果的準確性和可靠性。

附圖說明

圖1為實施例1中待探傷的含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣尺寸示意圖。

圖2為實施例1中待探傷的含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣結構示意圖。

圖3為超聲疲勞試驗裝置。

圖4為超聲疲勞試樣斷口處的缺陷示意圖。

圖5為實施例1中探測到的焊縫處直徑約0.1mm的橢圓形氣孔示意圖。

圖6為實施例2中探測到的彈簧鋼中直徑約4.9μm的非金屬夾雜物示意圖。

圖7為實施例2中探測到的彈簧鋼中非金屬夾雜物成分的能譜。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，便于更清楚地了解本發明，但它們不對本發明構成限定。

以下實施例中利用超聲疲勞試驗技術來確定金屬材料內部微小缺陷的具體操作步驟如下：

1)根據需要探傷的金屬材料的彈性模量和密度值來設計如圖1中所示的含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣(截面呈圓形且含等截面段和變截面段的超聲疲勞試樣中的一種)尺寸，設計公式如下式(1)所示：

其中ω為角頻率,ω＝2πf,f為實驗系統頻率，取值為2.0×10⁴Hz，c為諧振波在材料中的傳播速度,ρ為材料的密度；E為材料的彈性模量；

含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣在諧振過程中，試樣的等截面段區域為等應力分布，易于獲得更大體積范圍的最大缺陷尺寸。前述試樣尺寸設計公式的計算步驟如下：

(1)測量需要探傷材料的密度ρ和彈性模量E。

(2)對含等截面段圓弧形軸向拉壓超聲疲勞試樣進行解析計算：

1.1擬定R₁，R₂，L₁，L₂數據，R₁為試樣等截面段的半徑，R₂為試樣兩端處的半徑，L₁為試樣等截面段總長度的一半，L₂為試樣變截面段長度；在以下的演算過程中，為便于計算，采用mm，g，ms的量綱，即尺寸單位為mm，質量單位為g，時間單位為ms。其他參數通過計算統一成mm，g，ms的單位；例如密度ρ＝7850kg/m³＝7850×10³g/(10³mm³)＝7.85×10^-3g/mm³。

1.2根據式(1)計算試樣兩端處的長度L₃。

2)根據前述確定的超聲疲勞試樣尺寸值R₁，R₂，L₁，L₂，L₃，將需要探傷的金屬材料坯料加工成如圖2中所示的含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣1，試樣1一端有外螺紋1-1，用于和圖3所示超聲疲勞試驗機2相連接。

3)將步驟2)加工得到的試樣1的等截面段1-2進行表面強化處理，避免試樣從表面開裂。可采用噴丸處理進行強化，使試樣表層的硬化層深度達到0.2mm，也可通過對試樣等截面段拋光打磨進行強化，達到0.3μm的表面粗糙度。

4)將試樣1安裝在超聲疲勞試驗機2上進行疲勞試驗，如圖3所示，至試樣斷裂失效(如圖4所示)，一般缺陷尺寸越大，該過程耗時越短。卸下試樣，將失效的試樣沿軸向完全拉斷。

5)將失效試樣斷口用顯微鏡或掃描電鏡觀察，利用圖形處理軟件測出試樣斷口上的缺陷尺寸。

實施例1

以一種焊接鋼材為例，對其焊縫處進行探傷。

1)測量出焊接鋼材彈性模量E＝206GPa，密度ρ＝7850kg/m³。

2)對用于探傷的含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣尺寸進行設計。預先擬定尺寸參數：試樣變截面段總長度的一半L₁＝15mm，試樣變截面段長度L₂＝5mm，試樣等截面段的半徑R₁＝2mm，試樣兩端處的半徑R₂＝5mm。由計算公式(1)可以計算出試樣兩端處的長度L₃＝12.16mm。

3)根據設計的尺寸參數L₁，L₂，L₃，R₁，R₂將焊接鋼材坯料加工成含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣，讓焊縫位于試樣正中間處。

4)對加工好的試樣的等截面段進行拋光打磨，達到0.3μm的表面粗糙度。

5)將試樣安裝在超聲疲勞試驗機中進行超聲疲勞試驗，如圖3所示，設置試樣每振動200ms則停歇600ms，讓試樣有充分的時間散熱。試樣經過1.05×10⁶周次的循環后斷裂，耗時僅3.5分鐘。卸下試樣，并將失效的試樣沿軸向完全拉斷。

6)試樣斷口用顯微鏡或掃描電鏡觀察，可以看出材料的內部缺陷為橢圓形氣孔，如圖5所示,缺陷尺寸直徑約為0.1mm。

實施例2

以一種高強汽車彈簧鋼為例，對其進行探傷。

1)測量出彈簧鋼彈性模量E＝206GPa，密度ρ＝7850kg/m³。

2)對用于探傷的含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣尺寸進行設計。預先擬定尺寸參數：試樣變截面段總長度的一半L₁＝18mm，試樣變截面段長度L₂＝5mm，試樣等截面段的半徑R₁＝2mm，試樣兩端處的半徑R₂＝5mm。由根據計算公式(1)可以計算可得試樣兩端處的長度L₃＝10.02mm。

3)根據設計的尺寸參數L₁，L₂，L₃，R₁，R₂將彈簧鋼坯料加工成含等截面段圓弧形超聲疲勞試樣。

4)對加工好的試樣的等截面段進行噴丸處理，使試樣等截面段表層的硬化層深度達到0.2mm。

5)將試樣安裝在超聲疲勞試驗機中進行超聲疲勞試驗，如圖3所示，設置試樣每振動200ms則停歇200ms。試樣經過1.35×10⁸周次的循環后斷裂，耗時約3.75小時。卸下試樣，并將失效的試樣沿軸向完全拉斷。

6)試樣斷口用顯微鏡或掃描電鏡觀察，如圖6所示，可以看出材料的內部缺陷為微小的夾雜物，缺陷直徑約為4.9μm，如圖7所示，夾雜物的掃描電鏡能譜分析顯示缺陷為含有Al和Ca的非金屬氧化物。