金属材料内部缺陷的分析方法与流程

1.本发明涉及金属材料失效分析技术领域，更具体地，涉及一种金属材料内部缺陷的分析方法。


背景技术：

2.金属材料在生产或焊接过程中，由于工艺不当会在其内部产生缺陷，内部缺陷的存在直接影响其使用寿命，若不能及时发现并采取相应措施进行补救，将会给生命和财产带来不可预估的损失。为了减少或消除缺陷，一般需要对内部的缺陷产生的原因进行分析，而对内部缺陷进行宏观和微观分析是查明原因的关键步骤。
3.现有技术中，公开号为cn 110132979 a，名称为一种金属材料显微缺陷的分析方法的专利，主要用于显微缺陷的分析，即在金相显微镜下观察到裂纹后，制取小试样冷冻处理后将裂纹打开，该专利对于裂纹缺陷的分析步骤为：定位显微镜下观察到裂纹、低温冷脆处理、打开裂纹、观察裂纹打开后的形貌。一般情况下，在显微镜下观察裂纹，需要按gb/t13298
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2015《金属显微组织检验方法》的规定，通过试样截取、研磨、抛光、浸蚀后在显微镜下观察，但这样会使水、抛光液、浸蚀液沿裂纹进入缺陷表面而产生腐蚀，即使将裂纹打开，也会影响裂纹断口表面腐蚀来源的判断，因为试件存在表面微裂纹，本身与外界环境接触，如果外界环境为腐蚀环境，也会产生腐蚀产物；但是，若金属材料存在内部的缺陷，未经过准确定位找到缺陷，而直接截取试样磨制，将不能获得内部的缺陷的完整形貌，这样不利于对缺陷表面的整体进行宏微观分析，该专利所述的方法不利于获得裂纹断口的原始形貌，而且还存在破坏断口原始形貌可能性；公开号为cn 113155560 a，名称为一种不损坏断口的金属工件裂纹打开方法的专利，主要用于肉眼可见的金属工件表面的原始裂纹，或是服役一段时间后内部的缺陷扩展至表面裂纹的金属工件，此时裂纹尺寸较大，肉眼即可定位裂纹位置，然后再采用该专利所述的方法将金属工件表面裂纹的打开，该专利不适用于金属材料内部存在的缺陷打开，如焊缝内部的夹渣、疏松、气孔等焊接缺陷，或金属材料内部夹杂物在服役过程中形成的核伤缺陷等。
4.目前，对于金属材料内部的缺陷已扩展至材料表面的裂纹，较容易将裂纹打开后找到内部缺陷并进行分析，而对于未扩展至表面的较小尺寸的内部缺陷，若采用的打开方式不正确，将不能获得缺陷或缺陷的原始形貌，进而影响分析结果的准确性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种金属材料内部缺陷的分析方法，以保证在不损坏断口的前提下，获得金属材料内部缺陷的原始形貌，提高分析结果的准确性。
6.基于上述目的，本发明提供一种金属材料内部缺陷的分析方法，步骤一、通过超声波探伤仪对金属材料内部缺陷进行定位，确定所述缺陷的分布区域和尺寸大小；步骤二、根据超声波探伤结果，沿垂直于所述缺陷的长度方向制取条状试样，根据所述缺陷的分布区域确定所述条状试样的高度和宽度，将所述缺陷位于所述条状试样在长度方向上的中间部
位，并将所述缺陷位于所述条状试样在高度方向上的二分之一处；步骤三、将所述条状试样进行低温处理；步骤四、使用压力试验机将所述条状试样在所述缺陷处压开，形成断口；步骤五、通过肉眼对所述断口进行宏观观察，使用扫描电镜对所述断口进行微观形貌观察和成分分析；使用显微镜对所述缺陷处的显微组织进行观察分析。
7.可选的，在步骤一中，使用所述超声波探伤仪确定所述缺陷的尺寸大小分别为长a、宽b、高c，且a》b》c。
8.可选的，在步骤二中，制取所述条状试样的尺寸为长l、宽w、高h；l的方向与所述缺陷的长a的方向垂直，所述压力试验机包括相对设置的两个下支点，l的长度大于两个所述下支点之间的距离，w的方向与长a的方向相同，且2a《w《12a，h的方向与宽b的方向相同，且2b《h《8b，所述缺陷的宽度b＜1/2h。
9.可选的，在步骤三中，使用液氮或酒精对所述条状试样进行低温处理，使用所述酒精进行低温处理的温度为-75℃
±
5℃，时间为30min；使用所述液氮进行低温处理的时间为15min，将所述条状试样完全浸入所述酒精或所述液氮的冷却液中。
10.可选的，当所述超声波探伤仪确定的内部的所述缺陷尺寸a》8mm，且b》5mm时，不进行低温处理。
11.可选的，在步骤四中，所述压力试验机还包括压头，将所述条状试样贴合放置在所述压头和两个所述下支点之间，将所述压头抵住所述缺陷所在区域的所述条状试样的上表面，并将所述压头缓慢向下移动，对含有所述缺陷的所述条状试样施加应力使所述条状试样沿内部缺陷面张开，形成所述断口。
12.可选的，在步骤五中，在步骤五中，先用肉眼观察所述缺陷及其附近的所述断口的形貌，确定所述断口处的裂纹源和断裂性质，再使用扫描电镜进一步观察所述断口的高倍形貌，对所述缺陷处进行能谱分析，确定所述缺陷的成分；在所述缺陷处截取金相试样，观察其显微组织形貌特征；根据以上宏观和微观的检测结果，确定所述缺陷的性质，以便制定减少或消除金属材料内部缺陷的相应措施。
13.本发明提供的金属材料内部缺陷的分析方法，首先，通过使用超声波探伤仪对金属材料内部缺陷进行定位；然后，根据超声波探伤结果制取条状试样，并根据缺陷的大小和分布区域，将缺陷设置在条状试样中；最后，对条状试样进行低温处理，并使用压力试验机将条状试样在缺陷处断开，形成断口，保证了在不损坏断口的前提下，获得了金属材料内部缺陷的原始形貌，再通过宏观和微观手段对缺陷进行定性分析，提高了分析结果的准确性，从而为制定有效减少或消除缺陷的措施提供了理论依据。
附图说明
14.下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
15.图1为本发明一实施例的金属材料内部缺陷的分析方法的流程图；
16.图2为本发明一实施例的金属材料内部缺陷的分析方法中缺陷在钢轨轨头横截面的示意图；
17.图3为本发明一实施例的金属材料内部缺陷的分析方法中制取的条状试样的结构示意图；
18.图4为本发明一实施例的金属材料内部缺陷的分析方法中压力试验机对条状试样进行加载的示意图。
19.附图标记说明：
20.1：钢轨轨头；2：轨头的内部缺陷；3：条状试样；4：压头；5：下支点；6：缺陷；7：加载方向；8：踏面；9：轨头侧表面。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本发明进行详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
22.如图1、图3和图4所示，本发明提供的金属材料内部缺陷的分析方法，包括以下步骤：步骤一、通过超声波探伤仪对金属材料内部缺陷6进行定位，确定缺陷6的分布区域和尺寸大小；步骤二、根据超声波探伤结果，沿垂直于缺陷6的长度方向制取条状试样3，根据缺陷6的分布区域确定条状试样3的高度和宽度，将缺陷6位于条状试样3在长度方向上的中间部位，并将缺陷6位于条状试样3在高度方向上的二分之一处；步骤三、将条状试样3进行低温处理；步骤四、使用压力试验机将条状试样3在缺陷6处压开，形成断口；步骤五、通过肉眼对断口进行宏观观察，使用扫描电镜对断口进行微观形貌观察和成分分析；使用显微镜对缺陷6处的显微组织进行观察分析。
23.本发明提供的金属材料内部缺陷的分析方法，首先，通过使用超声波探伤仪对金属材料内部缺陷6进行定位；然后，根据超声波探伤结果制取条状试样3，并根据缺陷6的大小和分布区域，将缺陷6设置在条状试样3中；最后，对条状试样3进行低温处理，并使用压力试验机将条状试样3在缺陷6处断开，形成断口，保证了在不损坏断口的前提下，获得了金属材料内部缺陷的原始形貌，再通过宏观和微观手段对缺陷6进行定性分析，提高了分析结果的准确性，从而为制定有效减少或消除缺陷的措施提供了理论依据。
24.如图3所示，在步骤一中，使用超声波探伤仪确定缺陷6的尺寸大小分别为长a、宽b、高c，且a》b》c。本实施例中，上述形状的缺陷6能够根据超声波探伤仪的探测结果较好地模拟金属材料内部缺陷的大小，从而能够更有效地对金属材料内部缺陷进行准确分析，提高了金属材料内部缺陷的分析方法的分析准确性。
25.如图3所示，在步骤二中，制取条状试样3的尺寸为长l、宽w、高h；l的方向与缺陷6的长a的方向垂直，压力试验机包括相对设置的两个下支点5，l的长度大于两个下支点5之间的距离，w的方向与长a的方向相同，且2a《w《12a，h的方向与宽b的方向相同，且2b《h《8b，缺陷6的宽度b＜1/2h。具体地，根据两个所述下支点5之间的距离，可以确定l的长度为100mm～300mm。本实施例中，压力试验机在对条状试样3进行加载时，采用三点接触式，上述范围大小的条状试样3和缺陷6能够较好地模拟金属材料内部缺陷在金属材料内部的相对位置和相对大小，从而能够进一步地对金属材料内部缺陷进行准确分析，进一步地提高了金属材料内部缺陷的分析方法的分析准确性。
26.本发明一实施例中，在步骤三中，使用液氮或酒精对条状试样3进行低温处理，使用酒精进行低温处理的温度为-75℃
±
5℃，时间为30min；使用液氮进行低温处理的时间为15min，将条状试样3完全浸入酒精或液氮的冷却液中。上述酒精会液氮的低温处理温度和
处理时间，能够将条状试样3进行较好地低温处理，从而保证了在后续缺陷6被压开时，能够较好地获得金属材料内部缺陷的原始形貌，进而提高了金属材料内部缺陷的分析方法的分析准确性。
27.本发明一实施例中，当超声波探伤仪确定的内部的缺陷6尺寸a》8mm，且b》5mm时，不进行低温处理。上述尺寸范围大小的缺陷6不进行低温处理也能获得金属材料内部缺陷的原始形貌，从而减少了低温处理这一程序，简化了金属材料内部缺陷的分析方法的操作流程。
28.如图4所示，在步骤四中，压力试验机还包括压头4，将条状试样3贴合放置在压头4和两个下支点5之间，将压头4抵住缺陷6所在区域的条状试样3的上表面，并将压头4缓慢向下移动，对含有缺陷6的条状试样3施加应力使条状试样3沿内部缺陷6面张开，形成断口。本实施例中，压力试验机采用上述三点接触式的方式对条状试样3进行加载，从而保证了在缺陷6被压开时，能够较好地获得金属材料内部缺陷的原始形貌，进而提高了金属材料内部缺陷的分析方法的分析准确性。
29.本发明一实施例中，在步骤五中，先用肉眼观察缺陷6及其附近的断口的形貌，确定断口处的裂纹源和断裂性质，再使用扫描电镜进一步观察断口的高倍形貌，对缺陷6处进行能谱分析，确定缺陷6的成分；在缺陷6处截取金相试样，观察其显微组织形貌特征；根据以上宏观和微观的检测结果，确定缺陷6的性质，以便制定减少或消除金属材料内部缺陷的相应措施，采用宏观和微观两种方式对缺陷6进行分析，保证了金属材料内部缺陷的分析方法的分析准确性。
30.本发明一实施例中，采用金属材料内部缺陷的分析方法对钢轨轨头1的轨头的内部缺陷2进行分析，第一步，轨头的内部缺陷2的定位：通过超声波探伤仪器确定闪光焊接头在轨头的内部缺陷2的位置，轨头的内部缺陷2在钢轨轨头1横截面的示意图如图2所示，轨头的内部缺陷2为长a＝6mm、宽b＝5mm的面状缺陷，该轨头的内部缺陷2距离钢轨踏面810mm，距离轨头侧表面9 30mm；第二步，制取条状试样3：根据超声波探伤结果沿垂直于缺陷6长度a方向制取长l＝300mm、宽w＝70mm(2a《w《12a)、高h＝35mm(2b《h《8b)的条状试样3，缺陷6在长度方向位于试样中间部位，缺陷6在高度方向应位于靠近轨头踏面8的二分之一范围内；第三步，低温处理，将条状试样3置于液氮中，时间为15min；第四步，内部缺陷6打开：使用压力试验机，将条状试样3贴合放置在压头4和下支点5之间，轨头踏面8朝下，压力试验机的压头4对准缺陷6部位，按加载方向7对条状试样3施加循环压应力，直至将断口压开；受压应力作用，条状试样3下部弯曲变形量大，因缺陷6靠近轨头踏面8，这样试样更容易开裂并断开；第五步：断口的宏观和微观分析：压开的断口的内部缺陷6近似圆形，直径约为6mm，心部的裂纹源区断口粗糙，疲劳扩展区较为平整，可以观察到疲劳台阶，裂纹源区分布有呈不规则形状的白亮夹杂物，其分布区域的尺寸约为1.5mm(横向)
×
2.5mm(垂向)，微区能谱分析结果表明夹杂物主要含有硅、氧、锰(si、o、mn)等元素，疲劳扩展区可以观察到以裂纹源为中心向外扩展的疲劳弧线，能谱结果表明该区域主要含有铁、锰(fe、mn)等元素；切取显微组织试样进行观察分析，可以看到裂纹源区的缺陷刚好位于焊缝熔合线上，裂纹源区的夹杂物是沿熔合线的方向分布，且夹杂物是分布在熔合线的中间部位，熔合线处的金相组织为网状铁素体+少量珠光体。由断口的宏观和微观分析结果可知，闪光焊接头内部缺陷为灰斑夹杂缺陷，在轮轨接触应力下已疲劳扩展，形成轨头内部核伤，可根据以上分析
结果提出闪光焊接头减少灰斑的措施和建议。
31.本发明提供的金属材料内部缺陷的分析方法，首先，通过使用超声波探伤仪对金属材料内部的缺陷6进行定位；然后，根据超声波探伤结果制取条状试样3，并根据缺陷6的大小和分布区域，将缺陷6设置在条状试样3中；最后，对条状试样3进行低温处理，并使用压力试验机将条状试样3在缺陷6处断开，形成断口，保证了在不损坏断口的前提下，获得了金属材料内部的缺陷6的原始形貌，再通过宏观和微观手段对缺陷6进行定性分析，提高了分析结果的准确性，从而为制定有效减少或消除缺陷的措施提供了理论依据。
32.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种金属材料内部缺陷的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过超声波探伤仪对金属材料内部缺陷进行定位，确定所述缺陷的分布区域和尺寸大小；步骤二、根据超声波探伤结果，沿垂直于所述缺陷的长度方向制取条状试样，根据所述缺陷的分布区域确定所述条状试样的高度和宽度，将所述缺陷位于所述条状试样在长度方向上的中间部位，并将所述缺陷位于所述条状试样在高度方向上的二分之一处；步骤三、将所述条状试样进行低温处理；步骤四、使用压力试验机将所述条状试样在所述缺陷处压开，形成断口；步骤五、通过肉眼对所述断口进行宏观观察，使用扫描电镜对所述断口进行微观形貌观察和成分分析；使用显微镜对所述缺陷处的显微组织进行观察分析。2.根据权利要求1所述的金属材料内部缺陷的分析方法，其特征在于，在步骤一中，使用所述超声波探伤仪确定所述缺陷的尺寸大小分别为长a、宽b、高c，且a>b>c。3.根据权利要求1所述的金属材料内部缺陷的分析方法，其特征在于，在步骤二中，制取所述条状试样的尺寸为长l、宽w、高h；l的方向与所述缺陷的长a的方向垂直，所述压力试验机包括相对设置的两个下支点，l的长度大于两个所述下支点之间的距离，w的方向与长a的方向相同，且2a<w<12a，h的方向与宽b的方向相同，且2b<h<8b，所述缺陷的宽度b＜1/2h。4.根据权利要求1所述的金属材料内部缺陷的分析方法，其特征在于，在步骤三中，使用液氮或酒精对所述条状试样进行低温处理，使用所述酒精进行低温处理的温度为-75℃
±
5℃，时间为30min；使用所述液氮进行低温处理的时间为15min，将所述条状试样完全浸入所述酒精或所述液氮的冷却液中。5.根据权利要求2所述的金属材料内部缺陷的分析方法，其特征在于，当所述超声波探伤仪确定的内部的所述缺陷尺寸a>8mm，且b>5mm时，不进行低温处理。6.根据权利要求1所述的金属材料内部缺陷的分析方法，其特征在于，在步骤四中，所述压力试验机还包括压头，将所述条状试样贴合放置在所述压头和两个所述下支点之间，将所述压头抵住所述缺陷所在区域的所述条状试样的上表面，并将所述压头缓慢向下移动，对含有所述缺陷的所述条状试样施加应力使所述条状试样沿内部缺陷面张开，形成所述断口。7.根据权利要求1所述的金属材料内部缺陷的分析方法，其特征在于，在步骤五中，先用肉眼观察所述缺陷及其附近的所述断口的形貌，确定所述断口处的裂纹源和断裂性质，再使用扫描电镜进一步观察所述断口的高倍形貌，对所述缺陷处进行能谱分析，确定所述缺陷的成分；在所述缺陷处截取金相试样，观察其显微组织形貌特征；根据以上宏观和微观的检测结果，确定所述缺陷的性质，以便制定减少或消除金属材料内部缺陷的相应措施。

技术总结
本发明公开了一种金属材料内部缺陷的分析方法，包括以下步骤：步骤一、通过超声波探伤仪对金属材料内部缺陷进行定位，确定缺陷的分布区域和尺寸；步骤二、根据超声波探伤结果，沿垂直于缺陷的长度方向制取条状试样，根据缺陷的分布区域确定条状试样的高度和宽度；步骤三、将条状试样进行低温处理；步骤四、使用压力试验机将条状试样在缺陷处压开，形成断口；步骤五、通过肉眼对断口进行宏观观察，用扫描电镜对断口进行微观形貌观察和成分分析；用显微镜对缺陷处的显微组织进行观察分析。本发明提供的金属材料内部缺陷的分析方法，保证了在不损坏断口的前提下，获得了金属材料内部缺陷的原始形貌，提高了分析结果的准确性。提高了分析结果的准确性。提高了分析结果的准确性。


技术研发人员：许鑫 张倩 徐超 胡杰 杨其全 吕晶 王玉婷 杜吉康 王晨阳 曹欣旺 王雪娜 孙旭文 冯博宇
受保护的技术使用者：北京中铁科新材料技术有限公司 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所 铁科金化科技有限公司 中国铁道科学研究院集团有限公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/7