钢铸件无损检测：不同材质的策略选择与技术要点

钢铸件的质量控制离不开无损检测（NDT），但选择何种检测方法，很大程度上取决于铸件本身的材料特性。从碳钢到高合金钢，其冶金行为、铸造性能和缺陷形态千差万别，这直接决定了不同无损检测技术的适用性与局限性。为钢铸件“量体裁衣”般地选择检测方案，是确保其服役安全与可靠性的第一道关口。

1. 碳钢铸件的检测挑战与对策

碳钢因其成本优势而应用广泛，但其铸造性能并不理想——流动性、抗撕裂和抗收缩能力均较弱。这导致其典型缺陷往往是尺寸较大的开口热裂纹，淬火件中还常见淬火裂纹。这些裂纹多数开口于表面，但近表面裂纹也不容忽视。

针对这些特点，无损检测方法的选择逻辑如下：

• 磁粉检测 (MT)：对于表面和近表面开口缺陷，磁粉法无疑是首选，灵敏度高且直观。碳钢的顽磁性较低，检测后退磁相对容易。但其棘手之处在于，对于结构复杂或尺寸庞大的铸件，要实现彻底退磁，在工程实践中难度极大。

• 渗透检测 (PT)：由于碳钢是铁磁性材料，磁粉法更为高效，因此渗透法通常不作为首选。若必须采用，则需格外小心。碳钢铸件表面通常较为粗糙，缺陷也可能开口较宽，这极易导致渗透液在清洗环节难以彻底去除，从而产生过多的背景显示或假指示，干扰判断。

• 射线照相检测 (RT)：X射线和γ射线能够穿透工件，是探查内部缺陷的利器，适用于各种冶金成分的钢铸件。一个普遍的建议是，射线检测最好在所有机加工工序完成后再进行，以避免后续加工去除已发现的缺陷或产生新的缺陷。需要明确的是，对于复杂铸件，实现所谓的“100%覆盖”几乎是不可能的，也是不严谨的说法。实际操作中，检测的关键部位应由供需双方根据设计要求和应力分析共同商定。

• 超声波检测 (UT)：超声波法可用于碳钢铸件，但限制颇多。首先，铸件的粗糙表面会严重影响探头与工件的声耦合，降低信噪比。其次，未经热处理的碳钢铸件（以及部分合金钢铸件）内部组织粗大，声散射严重，导致林状波等噪声水平极高，几乎无法有效检测。因此，进行超声检测前，铸件至少要经过一次奥氏体化热处理来细化晶粒。采用较低频率的探头（如 1 MHz 或 0.5 MHz）能在一定程度上改善声束的穿透力，但代价是牺牲了对微小缺陷的检测能力。

更深层次的挑战在于缺陷的定性和定量。铸件缺陷形态复杂多变，有时需要借助横波从不同角度扫查。而基于人工对比试块建立的验收/报废判据，其可靠性也一直备受争议。某些类型的疏松缺陷无法形成单一、清晰的回波，仅从单侧进行检测很难准确评估其真实形状和尺寸。

2. 低合金钢铸件的检测差异

相较于碳钢，低合金钢的可铸性有所改善。在无损检测层面，二者大同小异，但存在一些需要注意的细微差别。

• 磁粉检测：在低合金钢中，更为常见的是紧闭的细微裂纹，而非碳钢中那种宽大的开口撕裂。其近表面裂纹的出现概率似乎也更高。这类近表面缺陷的磁痕形态非常具有迷惑性，有时会被误判为因磁场突变引起的磁粉随机堆积（即非相关指示）。即便识别出是近表面缺陷，其精确的形状和深度也难以通过磁粉检测来确定。

• 液体渗透检测：与碳钢同理，因其铁磁性，渗透法不作为常规选择。

• 射线检测：对于低合金钢铸件，射线照相法的应用不存在特殊障碍。

• 超声波检测：低合金钢的透声性普遍优于碳钢。这一特性带来一个额外的应用价值：可以通过比较不同区域的透声性，来间接评估铸件内部晶粒度的均匀性。

3. 高合金钢铸件的复杂性与检测方案

高合金钢的范畴很广，这里重点探讨两种代表性的材料：马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。

3.1 马氏体不锈钢

多数马氏体不锈钢拥有优良的可铸性，其主要缺陷类型已不再是热裂和缩松，而是夹杂物和气孔。

• 磁粉检测：在这种钢中进行磁粉检测，过程会更“考验耐心”。由于裂纹通常是细微且紧闭的，磁粉的聚集和显示形成时间会更长。使用水基荧光磁粉时，有时会观察到类似蜂窝状的磁痕图像，这可能与马氏体急剧淬火后形成的不同冶金相有关，这些相边界的磁导率存在显著差异。另一个麻烦来自其表面常带有的强附着性蓝色氧化皮，若不通过磨削等方式去除，会严重遮蔽缺陷、影响电极接触，甚至在通电时引发电弧烧伤。

  这类钢还极易达到磁饱和，饱和后泄漏出金属表面的磁场会产生干扰图像。同时，部分牌号的马氏体钢顽磁性非常高，退磁困难，有时需采用特殊的剥磁技术。若铸件后续需要焊接，残余磁场会使电弧发生偏转，导致焊接飞溅，影响焊接质量。

• 渗透检测：由于马氏体钢的脆性问题，焊接时在热影响区可能形成难以检出的细微裂纹，而磁粉法对此类缺陷的检测也面临挑战。尽管如此，渗透法在马氏体钢上仍不被采用，主要原因还是其铁磁性。

• 射线检测：应用上没有特殊问题。

• 超声波检测：部分马氏体钢因组织原因，超声波难以穿透，检测前必须进行奥氏体化热处理。而另一些牌号则问题不大。

3.2 奥氏体不锈钢

奥氏体钢是非铁磁性的，这一根本属性决定了其检测方法的不同。

• 渗透检测：由于无法进行磁粉检测，渗透法成为了检测其表面开口缺陷的主要手段。

• 射线检测：用射线法检测奥氏体钢铸件时，底片上常会看到斑点状的伪像，这是粗大晶粒导致的X射线衍射现象。

• 超声波检测：在奥氏体钢上进行超声波检测是极为困难的。粗大的各向异性晶粒会产生极高的组织噪声，几乎能完全掩蔽来自缺陷的真实反射信号。目前，UT在奥氏体钢上的应用主要局限于壁厚测量（最大可测厚度约 51 mm），以及对那些尺寸较大且其界面恰好平行于声束入射面的理想化缺陷的检测。常规的横波检测基本无效，但采用斜入射的纵波或许能获得一些有限的信息。

因此，对于奥氏体钢铸件，一个可靠的检测策略是：用液体渗透法保障外部质量，用射线照相法控制内部缺陷。 这种组合拳式的质量控制方案，正是专业检测实验室的核心价值所在。

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3.3 铸造双相不锈钢的热时效诊断

对于双相不锈钢，除了常规缺陷，其服役过程中因热时效引发的性能退化也是一个关键的质量控制点。研究发现，通过测量SH横波（水平剪切波）在经时效和未经时效试样上的传播速度差，可以相当准确地诊断出由热时效引起的材料剪切模量变化。借助电磁声换能器（EMAT）这种非接触式激发和接收技术，该方法非常适用于现场检测与评估。