02_常见缺陷_无损检测

第2章常见缺陷本章提要：缺陷分析是无损检测的技术基础。主要解决两方面的问题：一是弄清缺陷的分类、性质、危害性；二是分析缺陷的产生原因，以便有效地识别缺陷、消除缺陷，提高工艺质量。本章重点讲授缺陷分类、危害性。缺陷的产生原因应结合《材料成型工艺》、《材料合成与制备方法》等课程内容深入理解与总结。最后，对常用检测方法作简要介绍。内容2.1缺陷分类2.2材料和加工工艺中常见缺陷2.3缺陷的危害2.4缺陷和常用无损检测方法2.1工艺缺陷的概念及分类2.1.1工艺缺陷的概念（1）什么是工艺缺陷？在材料加工成型过程中，经常会出现某种或某些不合乎质量要求的外观缺陷、性能缺陷、组织缺陷和更为严重的内部几何不连续型缺陷（如裂纹、孔洞、夹杂等）。我们把这些“冶金因素、结构因素、工艺因素”导致的产品质量不符合相关标准要求的各类缺陷统称为工艺缺陷。工艺缺陷种类繁多，产生原因也相当复杂。为了便于分析和处理工艺缺陷、制定检验工艺、方便技术交流，有必要对其进行分类。2.1.2工艺缺陷的分类金属材料：①焊接缺陷②铸造缺陷③锻压缺陷④热处理缺陷——淬火、回火、退火⑤冷加工金属型材：板材，管材，棒材非金属材料：混凝土，陶瓷，高分子复合材料：（1）按材料和加工艺方法分为：(2)按技术内涵大体分为：①加工、装配缺陷——如焊件坡口角度、装配间隙不均匀，错边量过大等；②形状、尺寸缺陷——如工件变形、焊缝宽窄不一致、焊缝余高过大、表面塌陷、满溢、焊瘤等等；③几何不连续型缺陷——如焊件中的裂纹、孔洞、夹杂、未熔合、未焊透，铸件中的缩孔、疏松、裂纹等等；④组织、性能缺陷——如机械性能不良、耐腐蚀性下降、过热组织、脆性组织、偏析等等；⑤其它工艺缺陷——如飞溅、表面划伤、电弧擦伤、凿痕、磨痕等等。（3）按缺陷性质不同分为：①裂纹——如冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂、火口裂纹等；②孔穴——如缩孔、气孔等；③固体夹杂——如夹渣、夹钨等；④未熔合——如坡口未熔合、层间未熔合；⑤未焊透——如根部未焊透、中部未焊透；⑥其它缺陷——未包含在以上5种缺陷中的缺陷，如咬边、烧穿、焊瘤、电弧划伤等。（4）按缺陷的埋藏深度分为：①表面缺陷——如表面气孔、表面裂纹、砂眼、咬边等；②近表面缺陷——如皮下气孔、夹杂等；③内部缺陷——如内部夹杂、气孔、缩孔、裂纹、未熔合、未焊透等；(5)按缺陷的几何特征不同分为：①体积型——如孔洞、夹杂等；②面积型——如裂纹、未熔合、夹层等；（6）按具体缺陷的位置特征又有不同的称谓：例如：裂纹可分为：HAZ裂纹、焊缝裂纹、火口裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹等；未熔合可分为：坡口未熔合、层间未熔合、根部未熔合。（7）其它分类：①按裂纹走向不同有：横向裂纹、纵向裂纹、人字形裂纹、辐射形裂纹等称谓；②按裂纹尺寸不同又有：宏观裂纹、微裂纹等称谓。③按具体缺陷产生机理又有不同的分类，例如：焊接接头中的裂纹因其产生机理不同有：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂等；焊件中的气孔又分为：氢气孔、氮气孔、CO气孔等等。2.2材料和加工工艺中常见缺陷2.2.1金属材料加工工艺：①铸造缺陷②锻压缺陷③焊接缺陷④热处理缺陷——淬火、回火、退火⑤冷加工2.2.2金属型材缺陷：板材，管材，棒材2.2.3非金属材料：混凝土，陶瓷，高分子复合材料：2.2.1加工工艺缺陷—铸造铸造是一种非常重要的生产工艺，具有：制成复杂的毛坯，大小不受限制从几克到几百吨，成本低铸造缺陷1.气孔由于溶化的金属在凝固时，产生的气体来不及溢出金属表面或者内部产生的圆孔危害：破坏了结构的连续性，应力集中，降低冲击韧性和疲劳强度如图2.缩孔和缩松金属在凝固时，由于收缩而产生的缺陷。缩孔由于金属溶液流动性凝固产生的空洞；缩松，多孔疏松部分或者密集的小气空群危害性同气孔如图3.夹砂与夹渣夹砂：浇注时由于型砂受到熔液的冲击渗入铸件内部而形成的缺陷，一般在大型的铸件中出现；夹渣：浇铸时由于铸液中的溶渣没有与铸液分离开而进入铸件形成的危害：同上，已在经受锻压或其他加工时产生裂纹如图4.裂纹由于铸件各部分的冷却速度不均匀而产生的残余应力超过材料的断裂强度时引起的，根据发生的温度不同分为热裂纹和冷裂纹，存在铸件表面和内部危害性：很大，引起铸件的报废如图5.冷隔和浇不足浇铸温度太低，金属熔液在铸模中不能充分流动而造成的一类缺陷。发生在表面的叫做冷隔，因熔液没流入形成的缺口叫做浇不足如图6.偏析化学成分不均匀和组织不均匀如图2.2.1加工工艺缺陷—锻造锻件的原料缺陷，缺陷多半是有铸件遗留下来的，所以铸件的各种缺陷在锻件中都可能发生。此外，在锻造过程中产生新的缺陷1.夹砂和夹渣2.缩孔和疏松3.金属和非金属夹杂物4.龟裂原材料成分不当、表面状况不好、加热温度和加热速度不合适产生5.过热加热温度过高或者保温时间过长，引起晶粒粗大的现象称为过热6.过烧加热温度超过始端温度过多，使材料内部晶界氧化并产生较大的裂纹，或者引起显著的晶粒粗大，其形状与龟裂相同7.折叠工艺不当，将坯料已氧化的表层引入工件2.2.1加工工艺缺陷—焊接焊接常用见的生产工艺，船体、高炉的炉壳、建筑构架，锅炉与压力容器、车厢、轨道、机翼等等缺陷很多，以未焊透和裂纹危害最大1.裂纹焊接接头组织焊缝焊接热影响区图5-1焊接裂纹的宏观形态及分布a)T型接头的宏观裂纹b)对接接头的焊接裂纹c)焊缝收弧处的弧坑裂纹1－焊缝中纵向裂纹2－焊缝中横向裂纹3－熔合区裂纹4－焊缝根部裂纹5－热影响区根部裂纹6，7－焊趾裂纹8－焊道下裂纹9－层状撕裂10－弧坑纵向裂纹11－弧坑横向裂纹12－弧坑星形裂纹根据裂纹产生的机理，焊接裂纹可分为：•焊接热裂纹结晶裂纹液化裂纹多边化裂纹•焊接冷裂纹延迟裂纹淬硬脆化裂纹低塑性裂纹•再热裂纹•层状撕裂•应力腐蚀裂纹一、热裂纹的主要特征•热裂纹出现时间：在结晶后期，邻近固相线的温度范围内，焊后立即产生；•结晶裂纹主要产生钢种：在含碳、硫、磷等杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中；•热裂纹主要分布位置：在焊缝中心、弧坑，有的分布在焊缝的柱状晶晶界，有的分布在热影响区的过热区•热裂纹的显微特征：产生具有沿晶开裂特征，它是沿原奥氏体晶界开裂，裂纹尖端圆钝，裂纹表面还多伴随有氧化色彩。•热裂纹的产生与焊缝和热影响区中碳、硫、磷等杂质的含量及结晶后期硫、磷等在晶界形成的低熔点共晶有关；一、冷裂纹的分类(一)延迟裂纹这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是有一定孕育期，具有延迟现象1.焊趾裂纹2.焊道下裂纹3.根部裂纹(二)淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹)它完全是由冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的，这种裂纹基本上没有延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上(三)低塑性脆化裂纹某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备而产生的裂纹二、冷裂纹的特征1.容易出现冷裂纹的钢种冷裂纹常产生在中、高碳钢，低合金高强钢和钛合金等金属材料焊接接头中。这与钢种的淬硬倾向有关。淬硬倾向越大的钢种，冷裂纹倾向越大。2.形成冷裂纹的温度冷裂纹是在材料的马氏体转变点（Ms）以下。3.冷裂纹的延迟特征冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间(几小时，几天甚至更长)才出现。且随时间延长逐渐增多并扩展。4.冷裂纹的开裂形式冷裂纹多出现在焊接热影响区，有时也出现在焊缝。冷裂纹的断裂与热裂纹不同，它是既有沿晶、又有穿晶开裂的复杂断口。2.未焊透在有坡口的焊接或者丁字焊时，由于焊条或者焊接电流过低，使电弧不能到达坡口底部而产生的缺陷3.未熔合4.夹渣和夹杂5.气孔6.咬边2.2.1加工工艺缺陷—热处理1.过热2.过烧3.氧化4.脱碳5.变形6.裂纹过烧裂纹2.2.2金属型材缺陷—板材板材普通板材和复合板材1.分层和夹杂物钢锭中存在气孔、缩孔、夹渣等以致压合不紧密引起的2.裂纹千差万别，由于偏析、气孔、氧化皮等以致压合不紧密引起的，条状小裂纹，龟裂装，边缘锯齿状裂纹等3.皮下气孔钢锭中存在气孔、缩孔等以致压合不紧密引起的4.表面缺陷5.脱黏复合板材异质材料在界面处没结合成一体2.2.2金属型材缺陷—管材管材：1.外壁划痕：2.横向裂纹：材料含铜量过多，变形量过大、加热过度等产生的缺陷，与轴向垂直或近似垂直3.总向裂纹：由于加热不良、热处理不良以及加工方法不良等产生的缺陷，方向与管材的轴向平行或者近似平行2.2.2金属型材缺陷—棒材1.裂纹根据形状，横向裂纹，纵向裂纹和过烧裂纹。横向裂纹与压延方向垂直，成分不均引起的；纵向裂纹，比较深的线性裂纹，热应变，气孔等引起；过烧在棒材表面形成小鳞状裂纹2.夹杂钢钉中的夹杂物3.表面缺陷材料表面粗糙度、轧辊调整的不好等原因引起的2.2.3非金属材料-混凝土1.蜂窝:混凝土结构局部出现酥松、多砂少浆，石子之间有空隙，想蜂窝状，危害很大2.孔洞：空隙，局部蜂窝较大，3.裂纹：起源内部的微气孔、未裂纹4.露筋5.表面不平整6.麻面：混凝土表面的小坑和麻点，形成粗糙面，但无露筋陶瓷材料及成型工艺陶瓷材料的成型干压成型注浆成型热压成型注射成型2.2.3非金属材料-陶瓷2.2.3非金属材料-陶瓷陶瓷可分为日用陶瓷和技术陶瓷1.变形：内外因，配料不当，结构不合理；装窑不当，升温过快等2.开裂：坯体开裂和釉裂3.夹层：4.釉层剥离5.粘疤6.黑点：表面形成黑色的斑点，烟气中CO剧烈分解析出碳复合材料中的缺陷定义分类：1.按照基体材料肥沃金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料2.按照增强体的形态，分为颗粒增强复合材料、显微增强复合材料、夹层复合材料和三维编织复合材料复合材料的成型＿树脂基复合材料成型手糊成型层压成型热压罐成型喷射成型对模模压成型缠绕成型复合材料及成型工艺：复合材料的成型＿金属基复合材料成型粉末冶金法挤压铸造法喷射沉积法热压法连接复合材料及成型工艺：复合材料的成型＿陶瓷基复合材料成型泥浆烧铸法热压烧结法浸渍法1ban进度1.孔隙2.分层3.夹杂4.纤维弯曲5.不均匀常见的复合材料缺陷夹芯结构以及蜂窝芯子面板胶接层蜂窝芯子常见的复合材料缺陷纤维断裂、树脂富集和孔洞常见的复合材料缺陷面芯脱胶2．3工艺缺陷的危害及其对产品质量的影响2.3.1工艺缺陷的危害性（定性分析）应该指出，处在同一位置上的不同性质的缺陷、或处在不同位置的同一性质的缺陷，其危害性是不尽相同的：(1)对于同一性质的缺陷（即使数量、大小相同）有：①表面缺陷比内部缺陷危害性大;位置特征②高应力区的缺陷比低应力区的缺陷危害性大；应力特征③与主应力垂直的片状缺陷比平行主应力时危害性大；走向特征④应力集中区的缺陷比非应力集中区的缺陷危害性大；缺口效应⑤对疲劳强度的影响比静载强度的影响大；载荷特征⑥未发现的缺陷比已发现的缺陷危害性大；掌控状态(2)不同性质的缺陷危害性排序（从大到小）：裂纹未熔合，未焊透咬边夹杂（条状）夹杂(圆形)气孔。应该强调，任何一种缺陷达到相当严重的程度都会造成危害，不仅会造成结构的破坏，甚至会酿成灾难性事故！尤其对于裂纹类缺陷工艺上是不能容忍的！必须彻底铲除!2.3.2工艺缺陷产生危害的本质(1)使工件的有效承载截面F受到削弱，因而使实际平均应力增大。(2)缺陷造成的几何不连续，导致局部应力集中！①引起缺口尖端的局部三向拉应力，使材料性能变脆，即产生缺口效应；②可能引起裂纹失稳扩展，造成低应力破坏（脆断）；③结构的应力集中点又容易引发疲劳裂纹；成为疲劳裂纹源!④应力集中区也容易加剧引起应力腐蚀开裂。总之，材料强度越高、加工精度越高、对应力集中越敏感，工艺缺陷造成的危害越大。2.3.3工艺缺陷的产生原因这个问题十分复杂，需要具体问题具体分析。从总体上说，主要来自：①冶金因素——如化学成分、碳当量、杂质含量、冷却速度等等；②结构（力学）因素——如壁厚、应力集中、截面突变、拘束应力等等；③工艺因素——预热条件、烘干温度、清理、环境湿度、规范参数等等；对于每种具体缺陷的产生原因，还要结《材料成型原理》课程的学习来深入理解。譬如