第３３卷第５期 ２０１０年９月２０日 电力机车与城轨车辆 ｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｖｔ）１．３３ Ｎｏ．５ ・检测・试验・ 精确测量裂纹缺陷的深度 鲁传高，段怡雄 （南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲摘４１２００１） 要：产舳表面检测时发现的裂纹缺陷，通过精确测量其深度，可以为产品后续处置提供关键的参考数据。文章对 裂纹深度测量进行了相关研究，形成了适用于各类产晶且方便、精确的裂纹深度测量方法。 关键词：裂纹深度测量；交流电位差法；材料修正；倾斜裂纹 中图分类号：Ｕ２６９．３２＋＝２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１】８７（２０１０）０５～００４３—０４ Ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆ ｃｒａｃｋ－ｄｅｐｔｈ ＬＵ Ｃｈｕａｎ－ｇａｏ，Ｄ ＵＡＮ Ｙｉ－ｘｉｏｎｇ （ＣＳＲ Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉ，ｏｅｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏ．，Ｉ ｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｎｕ ４１ ２００ｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｐｒｏｄｕ＜’ｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，ｂｙ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆ ｉｔｓ ｄｅｐｔｈ，ｐｉｖｏｔａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｄａｔａ ａｒｅ ｇｏｔ ｔｏ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗ—ｕｐ ｄｉｓｐｏｓａ１．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｃｒａｃｋ—ｄｅｐｔｈ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ａ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｒａ（・ｋ—ｄｅｐｔｈ ｉｓ ｇａｉｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆｃｒａｃｋ－ｄｅｐｔｈ；ＡＣ ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒｍｅｔｈｏｄ；ｎｍｔｅｒｉａｌ ａｍｅｎｄｍｅｎｔ；ｏｂｌｉｑｕｅ ｃｒａｃｋ 在从事无损检测＿ｒ作的过程中，经常遇到通过磁粉 等电位线 探伤、渗透探伤或目视检查等表面检测方法发现的产品 裂纹缺陷。由于无法确定其深度，只能将产品加 Ｉ 到极限 尺寸后再进行复检，根据复检结果判定产品报废或返１『 合格；且经常因为各方面原因无法返工而只能直接将产 品报废，这些无谓的返］二或不必要的报废，对生产周期 生产成本造成了一定影响。此外，在役产品上发现的表面 一电流线 一（ｂ）有裂纹Ｔ件 （ａ）无裂纹工件 １有裂纹工件与无裂纹工件的电位分布示意图 电位差法仅须从工件的一侧进行测量而不受其背面 裂纹缺陷，由于不能进行较精确的深度测量，无法对裂纹 缺陷的扩展情况进行有效的监控，不能掌握在役产品的 实时情况，无法为相关的科技研究提供实时数据。如何方 条件的限制，操作方便，适用于一切导电工件；但要求工 件的电阻率均一且各向同性，对于大多数金属材料，这一 条件是可以满足的。在裂纹深度测量中，电位差法是一种 非常有用且常为唯一的方法。根据所通过电流性质的不 同，电位差法可分为直流电位差法和交流电位差法两种。 １）直流电位差法最重要的优点是可以消除磁导率的 便、精确地测出产品表面裂纹的深度（包括裂纹的延伸深 度、倾斜角度、延伸方向等），对实际生产与技术研究均具 有较大意义。 １选择裂纹深度测量方法 目前较为常用的裂纹深度测量方法为电位差法，其 影响，此外直流电位差法容易将电位差换算成裂纹深度， 且所测裂纹深度范围大，测量不确定度小。因此，在进行 疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹的实验室测量时，趋向采用直 流法。直流电位差法的缺点是测量要求用大的电流（可高 基本原理为一定值的电流通过 ｆ件时，在工件的不同部 位，由于几何形状不同、尺寸不同或存在缺陷，电位的分 布不同（如图１所示），通过测量这种电位分布可以得知 工件表面裂纹的深度ｌｌＩ。 收稿日期：２０１０—０４—０６ 至数十安培），并会受热电效应和接触电位效应的干扰， 且受工件边缘影响较大。此外，裂纹两侧壁之问部分接触 的影响难以判斯，＆受裂纹表面氧化物的影响。 作者简介：鲁传高，２００５年毕业于大连理１：大学测控技术与仪器专业，现从事无损检测技术工作。 电力机车与城轨车辆・２０１０年第５期 ２）交流电位差法由于趋肤效应，电流被集中到靠近 工件表层的浅层中，使用较小的电流即可产生可测的表 进行测量前，需先通过磁粉探伤、渗透探伤或目视检 查确定裂纹位置，将裂纹及附近部位影响测量的物质（如 面电压。当趋肤深度较小时，交流电位差法受工件几何形 状的影响较直流电位差法要小很多，但是当趋肤深度增 灰尘、液体、附着物、锈斑及附加层等）去除干净，并确保 待检区域及附近无易燃物质、易燃气体。 大时，裂纹深度的测量误差比较大。此外，试样表面的粗 糙度可影响接触电阻和磁导率的变化，而使测量结果难 以解释。 ２．２Ｉ２探头校准因素 实际进行裂纹深度测量时，外部影响如环境和探头 温度、探针磨损、探针更换等，都将影响到测量结果。必须’ 使用标准试块对探头进行校准，以补偿外部影响。 ２．２＿３材料修正因素 实际工作中需要进行裂纹深度测量的产品主要为各 类新制、大修及在役的机车车辆车轮、车轴、板材及锻件 等，常见的裂纹类型为原材料裂纹、热处理裂纹、加工裂 纹及应用疲劳裂纹等。 考虑到检测现场与检测产品的实际情况，对实际产 每种材料的电导率、磁导率不同，甚至同种材料也随 机械加工和热处理状态不同而改变性质。因此，测量前必 须补偿材料不同的电导性、磁导性的影响，即必须进行材 品进行裂纹深度测量时，检测电流需要较小，检测仪器需 要便携，检测结果受工件形状影响必须要小。 料修正。测量精度要求不高时，可直接在工件上进行材料 修正；如测量精度要求较高且条件许可，可加工人工裂纹 试块以进行材料修正。材料修正与测量精度的关系可参 见表１。 表１ 材料修正因素与测量精度的关系 （以ＥＡ４Ｔ材质车轴产品为例） 标准试块 ＥＡ４Ｔ材质试块 结合交、直流电位差法的特点，选择交流电位差法进 行裂纹深度测量。 ２确定实际测量方案 ２．１选择测量系统 依托现有资源，选择裂纹测深仪ＲＭＧ ４０１５作为裂 纹深度测量的工具。ＲＭＧ ４０１５使用交流电位差的方法： 在仪器左右探针上加上一个已知电压的交流电，当探针 和带裂纹的工件接触时，就会有电压降，通过测量电压 降，就可以测量出裂纹的深度，测量示意图如图２所示。 在测量倾斜裂纹时，仪器的测量电流频率沿着裂纹 的走向下降，直至延伸到整个工件，根据左右电极不同的 电压降，可以计算出裂纹的倾角，示意图如图３所示。图 （ｃＫ４５材质）未经材料修正经零点修正经零电修正及已知深度裂纹修正 １０．ｏｍｍ ６．７ｍｍ ８．０ｍｍ １０．０ｍｍ 注：以上测量值均为试块上１０ ｍｍ深裂纹处的测量值。 ２．２．４裂纹形态因素 同样的测量系统，对不同形态的裂纹，其测量的精度 并不完全相同。不同形态的裂纹，对电路路径及电压降将 产生不同的影响。 裂纹位置：如果裂纹延伸向工件边缘，由于边缘位置 测量电流被集中及具有较大电阻，在边缘位置的测量结 果将远远大于实际结果。如果裂纹与工件边缘平行，则不 必考虑边缘引起的测量误差。 裂纹深度：如果裂纹实际深度接近工件的厚度，电流 中 为裂纹物理方向深度值（延伸深度），Ｐ为裂纹垂直 投影深度， 为裂纹倾角。 一一 图２裂纹深度测量示意图 图３倾斜裂纹角度测量示意图 也会受到裂纹下的底面的阻碍并导致较大的电压降，测 量值将远大于裂纹深度。当裂纹深度大于７５％工件厚度 时需要考虑这种情况。 裂纹长度：如果要正确测量裂纹深度，一般要求裂纹 ２．２分析测量过程中影响测量结果的因素并实施相应对策 利用交流电位差法测量裂纹深度，影响测量结果的因 的长度必须大于其深度的３倍，大多数裂纹符合这个条 件。但如果裂纹长度与其深度相近，由于一部分电流并不 素有材料的电导率、磁导率、测量电流的频率，这些因素影 响测量时电流的趋肤深度从而影响到电流路径、电压降， 并反映在最终的测量结果上。此外，工件及裂纹本身的特 从裂纹下流过而是从其表面绕过，测量值要比裂纹实际 深度小１０％～２０％。 裂纹宽度：采用交流电位差法时，探头两电极之间的 性对电流路径及电压降结果也产生影响；测量环境改变、 探头本身性能改变等，都将对测量结果产生影响。 ２．２．１工作整备因素 工件表面应简单平滑以确保良好的电接触，否则因 接触电阻的波动可能会导致错误的测量结果。 电流路径与裂纹宽度无关，裂纹宽度不影响对裂纹深度 的测量，但裂纹宽度必须小于两测量电极之间的距离。 裂纹侧壁接触：当裂纹的两个侧壁存在金属接触时， 接触电阻远大于裂纹周围材料的电阻，不影响电流路径 及裂纹深度测量结果。 鲁传高等・精确测量裂纹缺陷的深度・２０１０年第５期 ２．２．５裂纹角度测量因素 实际检测时，裂纹与工件表面的角度不可能全部是 垂直的，有很大一部分裂纹是倾斜裂纹。裂纹的倾角不影 ３对实际产品裂纹缺陷进行深度测量 以ＥＡ４Ｔ材质车轴为例，对该材质车轴表面经荧光 响对裂纹物理方向深度的测量，但实际应用时，一般较关 心的是裂纹垂直于工件表面方向的投影深度，因此必须 对裂纹倾角进行测量。 每种材料的电、磁特性不同，测量电流的趋肤深度不 同，导致测量电流路径和电压降不同，进而影响到对裂纹 磁粉探伤发现的一处裂纹进行深度测量。 ３．１工件整备 通过荧光磁粉探伤确定裂纹位置，然后将裂纹及周 边区域清理干净。 ３．２裂纹分析 对车轴进行荧光磁粉探伤时，发现轮座部位存在纵 倾角的测量。由于仪器限制，不可能重新设定每种材料的 倾角测量公式，但对铁磁性材料来说，在一定的材料允许 向磁痕显示，经荧光磁粉探伤观察（见图４）及目视观察 误差范围内，可视为与材料无关；对非铁磁性金属如铝 （见图５）确定为裂纹磁痕，磁痕较直，中间宽大，两头带 等，其倾角测量公式与铁磁性材料相差较大，因此对这类 伏尾。根据磁痕特征及以往经验，该裂纹应为车轴坯料原 金属裂纹角度测量误差较大。 始裂纹，裂纹深度应较浅，且应与车轴表面大致垂直。 仪器内置的用于判定裂纹倾角的标准算法适用于一 般的铁磁性材料。要检验仪器内置的标准算法是否适用 于某种材料上的倾斜裂纹测量，需要用该材料制作一个 具有已知倾角（不小于３０。）的倾斜裂纹的参考试块。如 果用仪器测得的裂纹倾角 在允许的误差范围内（仅： 图４荧光磁粉探伤磁痕观察 图５缺陷目视观察 参考裂纹倾角±１０％±５。），就可以进行裂纹倾角测量； 如果不在允许的误差范围内，则不能进行裂纹倾角测量， ３．３探头校准 或者只能进行较低精度的裂纹倾角测量。 为对倾斜裂纹进行裂纹深度测量，经过选型，新采购 ２．３确定实际测量方案 了可测量垂直裂纹与倾斜裂纹的ＲＭＳＬ—Ｓ ０。型探头。 选择好裂纹深度测量系统并对测量过程中影响测量 对该探头进行校准时，将其置于标准试块无裂纹位置及 结果的因素进行分析后，可以确定实际的裂纹深度测量 １０ ｍｍ深裂纹位置分别进行零点校准及上限值校准，如 方案。 图６和图７所示；校准后在标准试块裂纹其余深度处进 ２．３．１工件整备及裂纹分析 行测量，测量值与标称值一致。 首先必须对发现裂纹的工件进行材质分析以确定可 以对其实施裂纹深度测量。然后通过表面检测方法确定 裂纹具体位置，通过观察、分析裂纹形态及该类工件常见 裂纹的形成原因，对裂纹的深度及倾斜角度等进行初步 分析。最后将裂纹及周边区域清理干净。 ２．３．２选择测量仪器、探头并进行探头校准 选择裂纹测深仪ＲＭＧ ４０１５作为测量仪器，考虑到 有可能需要对裂纹倾角进行测量，选择ＲＭＳＬ—Ｓ ０。探 头。利用标准试块对探头进行校准。 图６零点校准 图７上限值校准 ２．３．３进行材料修正与裂纹倾角测量验证 ３．４材料修正 加工制作与工件相同材质的垂直裂纹对比试块及倾斜 标准试块材质为ＣＫ４５，与车轴材质ＥＡ４Ｔ差异较 裂纹对比试块，进行材料修正并验证裂纹倾角测量适用性。 大，必须进行材料修正。考虑到ＥＡ４Ｔ材质车轴为公司主 ２．３．４实施实际测量’ 流产品之一，特选择一根ＥＡ４Ｔ材质车轴制作了垂直裂 对工件上的裂纹进行深度测量，需要时进行倾角测量。 纹对比试块与倾斜裂纹对比试块。 ２．３．５根据测量结果进行产品处理 由于该裂纹车轴上无已知深度的裂纹，故只能采用 根据裂纹深度测量结果，结合产品实际情况，对裂纹 实物对比试块进行材料修正。在实物对比试块无裂纹处 缺陷实施返工或直接报废。有条件的可以在对裂纹缺陷 进行零点校正，然后在一已知深度裂纹处进行参考裂纹 修磨后验证其深度与测量结果及事先分析结果的符合 校正。 性，以积累相关经验。 进行材料修正后，在实物试块其余深度裂纹处进行 电力机车与城轨车辆・２０１０年第５期 验证，裂纹深度测量值均与标称值一致；在该实物车轴上 无裂纹位置进行验证，测量结果为０．０ ｍｍ。 ３．５验证裂纹倾角测量 为验证可能需要进行的裂纹倾角测量是否适用，采 用ＥＡ４Ｔ材质的倾斜裂纹Ｘ￣ｔ：Ｌ试块进行了验证。 度值为０．１ ｍｍ。这一结果与之前的经验判定相符，为对这 一测量结果进行确认，对该车轴此处裂纹进行了局部打 由于该裂纹深度过浅，不需要进行裂纹倾角测量。 磨抛光，经稍微抛光后裂纹消除，与测量结果相符。 选取其中一块３０。倾角的对比试块，对其进行裂纹 倾角测量，测量结果为一３Ｏ．４。 ’ ４结束语 通过对现场无损检测作业过程中发现的各型车轮、 仪器显示裂纹的倾角 ，正的角度显示裂纹向远离 车轴表面裂纹进行裂纹深度测量，经过打磨消除后打磨 深度均与裂纹深度测量值相符或相近。经过实践检验，该 裂纹深度测量系统测量结果准确可靠，完全可以在实际 生产中运用。同时可根据新产品需要制作相应材质的对 比试块，对该裂纹深度测量系统进行扩展，扩展成本较低 外部电极方向延伸，负的角度表示裂纹朝向外部电极方 向延伸，如图８所示。 Ｅ 图８裂纹方向和角度的标示 且扩展后测量精度较高。 参考文献： 李家伟，陈积懋．无损检测手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２． ＿ 一ｐ ＿ 寸测量结果表明，裂纹的倾角度数与裂纹的延伸方向 均与试块实际情况相符。 ３．６进行验证测量 任吉林，林俊明，高春法．电磁检测［Ｍ１．北京：机械工业出版社，２０００． 牧野一成，彭惠民．无损检测在机车车辆上的应用ｆＪ１．国外机车车 辆工艺，２０１０（２） 为检验前期所有准备工作的可靠性，对该３０。倾角 的对比试块进行裂纹物理深度测量（图３中的 值）和裂 纹垂直投影深度测量（图３中的Ｐ值），测量结果分别为 １０．０ ｍｍ、８．６ ｍｍ，与对比试块实际情况相符。 ３．７实际测量与结果确认 周建斌．机车车轴疲劳问题分析与对策【Ｊ１＿电力机车与城轨车辆， ２００８（２）． Ｃ Ｍ Ｈ Ｐ Ｈ Ｏ Ｂ Ｂ Ａ，谢小海．机车车辆检修及技术保养中的无损 检验ｌＪ１．国外机车车辆工艺，２０１０（２）． 叶树涛．机车车辆轮轴超声波检测技术研究与实现ｌＪＩ．哈尔滨铁道 科技，２Ｏｏ９（３）． 对该车轴上此处裂纹进行深度测量，测得的裂纹深 舢 止 舢 舢 舢 ｎ艇 舢 舢“ ．Ｓ （上接第４０页） ２）淬火过程中，淬火槽内各部分介质温差≤５ ｏＣ； ３）产品质量稳定性、综合机械性能明显提高； ４）通过淬火工艺设定，可在一个淬火槽内进行多种 低，且产品表面硬度波动较大，质量很不稳定；采用新的 淬火冷却系统后，综合机械性能进一步提高，冲击功指标 几乎提高一倍，且产品表面硬度非常均匀。 碳钢、中碳低合金钢的淬火。 以底座的调质热处理试验为例。产品规格为８５０ｍｍ× ４结束语 新设计的淬火冷却循环系统解决了以往存在的问 题，适应了５批／天的生产要求，提高了机车锻件的性能 指标和质量稳定性，解决了多种产品的淬火冷却要求。大 ３５０ ｍｍ×１００ ｍｍ，材质为４２ＣｒＭｏ。新旧淬火冷却系统的 试验结果见表１。 表１ 底座采用不同淬火冷却系统调质后的试验结果 产品抗拉强屈服强伸长率／面缩率／ Ａ 表面硬采用淬 批号度／ＭＰａ度／ＭＰａ ％ ％ （一２０℃）／Ｊ度／ＨＢ火系统 ８２５ ６２０ ｌ８ ５７．５ ２８ ２６０ 大降低了天车、循环泵等设备维修成本和产品返工成本， 降低了操作人员的劳动强度，收到了较好的经济效益。 ７７０ ５６０ １８．５ ５６．５ ８２５ ８３０ ５９０ ６０５ １９ １８ ５ ６１．５ ５９ ３０ １８ ２４ ２５５ 原有 ２６０ ２４０ 系统 参考文献： 【１］李强，王报，２００２（１２）：ｌ８６１—１８６３． ． 葛，陈乃录，等．淬火介质流场计算机模拟 科学通 中国机械工程学会热处理分会．热处理手册：第五卷【Ｍ１．北京：机 械工业出版社，２００８． 牛万斌．关于淬火冷却即使改造的一些体会 机械工人（热加 工），２００３（１１）． ＬａｌｌｙＫＳ，ＴｏｔｔｅｎＧＥ．淬火槽用搅拌器【Ｊ］．金属热处理，１９９３（１１）．