2025年, 第43卷, 第4期　刊出日期：2025-08-15

  

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试验研究
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  20CrMnTi钢制轴承圈的失效分析及淬火应力计算

  赵睿, 潘志强, 钟振前, 高群

  物理测试. 2025, 43(4): 1-6.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240068

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  高速重载轴承圈的淬火裂纹失效是制约机械装备服役可靠性的瓶颈问题,阐明其失效机制对优化热处理工艺和保障关键零部件性能至关重要。本研究以20CrMnTi钢制轴承圈淬火开裂为研究对象,通过宏微观断口表征、金相检测、化学检测等多种手段揭示了裂纹萌生与扩展的多尺度机制。实验结果表明:裂纹源于距表面2~3 mm位置,在原始裂纹中心存在直径81 μm的氧化铝夹杂物。后续在热处理过程中原始裂纹沿环向扩展,断口呈现沿晶+准解理混合脆性断裂特征,且扩展区无塑性变形痕迹,证实失效模式为由淬火应力主导的原始裂纹扩展。结合有限元多场耦合仿真进一步建立了温度场-相变场-应力场交互模型,定量揭示了裂纹尖端的I型应力强度因子(K_IC)的动态演化规律:当初始裂纹长度超过1.84 mm时,淬火拉应力使K_IC在淬火开始后14 s达到临界值(128 MPa·m^1/2),裂纹发生失稳扩展;此时裂尖区域温度、马氏体相变程度与实验观测结果一致。基于断裂力学判据与工程保守性原则,建议生产中对含内部裂纹(长度超过1.8 mm)的20CrMnTi工件规避淬火处理。
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  数字式质量流量计在腐蚀试验气体流量控制中的应用

  赵鑫, 赵乃胜, 杨艳龙, 马启元, 夏碧峰, 周志超

  物理测试. 2025, 43(4): 7-9.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240055

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  腐蚀试验室通常采用转子流量计控制气体恒定流量,在试验过程中通过观察H₂S鼓泡的方式确保H₂S溶液在整个试验过程中处于饱和状态。这种控制方式无法做到对H₂S流量的持续监控,可能发生试验失败。在数字化腐蚀试验系统中,采用数字式质量流量计替代转子流量计,可实现H₂S气体流量远程实时监控和数据溯源。依托数字化腐蚀试验系统进行多次腐蚀测试,将不同恒定流量的H₂S气体通入到不同体积反应溶液中,探索试验溶液中H₂S浓度与H₂S流量的对应关系,从而保证腐蚀试验的稳定开展。试验表明,抗氢致开裂(HIC)试验中,若反应容器小于25 L,通入H₂S恒定段流量应设置为不小于8.0 mL/min,以保证腐蚀试验的稳定开展。
测试技术
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  阵列漏磁检测设备在钢管检测中的应用

  樊庆辉, 周长忠, 王伟

  物理测试. 2025, 43(4): 10-16.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20250007

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  无缝钢管作为重要的工业材料,其质量缺陷直接影响设备安全性与使用寿命。针对传统漏磁检测方法在短小缺陷及斜向缺陷识别中的局限性,本文提出一种基于阵列式磁传感器的漏磁检测系统,通过多维度信号采集与融合处理,显著提升了检测精度与效率。首先,系统阐述了阵列漏磁检测系统的硬件架构,包括横向漏磁、纵向漏磁、三辊定心输送装置和主机安装平台等,重点解析了横向漏磁系统和纵向漏磁系统。其次,通过加工含有纵向、横向及斜向内外表人工缺陷的对比样管,对阵列漏磁检测系统的检测能力、信噪比及重复性进行测试。实验结果表明,该系统对长度不小于12 mm纵横向短小缺陷、长度不小于25 mm斜向缺陷检出率为100%,该技术为无缝钢管全生命周期质量监控提供了创新解决方案,具有显著的工程应用价值。
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  水浸超声C扫描检测系统的性能校验

  王永锋, 万策, 夏鹏, 赵九来, 沈翔, 董韶康

  物理测试. 2025, 43(4): 17-21.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240069

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  在现代工业检测领域,水浸式超声C扫描检测以其非破坏性、高精度及广泛适用性,成为材料内部缺陷检测的重要手段。本文旨在从电子仪器、超声换能器、对比试块、机械扫描装置以及组合系统性能校验标准等关键要素出发,对水浸超声C扫描检测系统进行深入解析,并提出一套溯源方案,以确保检测系统的稳定性和可靠性,进而保障检测质量,为工业检测提供坚实的技术支撑。
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  民用飞机金属结构件无损检测用试块的设计及质量控制

  陈涛, 李晴, 边永丰, 孟倩倩

  物理测试. 2025, 43(4): 22-27.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240083

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  民用飞机的金属结构件在原材料选择、生产制造及使用阶段均须应用无损检测技术,以确保其冶金缺陷当量符合适航性和安全性的要求,而合理设计的对比试块与完善的检测手段是有效识别和评估航空器材潜在缺陷,保障检测结果真实可靠的重要组成部分。本文重点探讨无损检测试块的技术要求,并从选材、加工及验收等环节阐述民用飞机金属结构件的对比试块设计与质量控制方法。通过分析原材料及在役结构件的特性,提出了相应的验收和评价依据,以有效提升无损检测的准确性和可靠性。
缺陷分析
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  700 MPa级汽车结构用钢剪切开裂原因分析

  马聪, 刘阳, 卢茜倩, 谷海容, 崔磊

  物理测试. 2025, 43(4): 28-33.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240105

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  高强度汽车结构用钢的研发与应用是推动汽车轻量化发展的关键技术之一,但在实际应用中发现700 MPa级汽车结构用钢板在剪切过程中出现截面开裂问题,严重影响材料的加工性能和使用安全性。针对该问题,本文采用X射线荧光光谱仪、拉伸试验机、金相显微镜、扫描电子显微镜及维氏硬度计等检测手段,系统研究了材料的化学成分、力学性能、微观组织、开裂断口形貌及显微硬度。结果表明:与剪切正常样板相比,开裂样板中Mn、Nb、V合金元素含量显著偏高,其中Mn元素偏析和材料中Mo元素的协同作用促使热轧过程中钢板心部形成硬脆的马氏体偏析带,造成截面组织和性能严重不均匀,是导致材料加工性能恶化的关键因素。在剪切应力作用下,马氏体偏析带与其他区域的性能差异引发应力集中使之成为微裂纹,并在后续加工过程中导致材料沿偏析带开裂。
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  冷轧辊用90SiCr6钢调质后校直开裂原因分析

  兰勇, 陈旭, 崔海峰, 孙智洋

  物理测试. 2025, 43(4): 34-40.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240067

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  为确保使用过程中的综合力学性能,往往需要对锻钢轧辊为代表的大型锻件进行调质处理,由于其较高的合金成分,调质后各档辊颈会出现不同程度变形,因此需要进行校直处理,但冷轧辊吨位大、各档尺寸差异较大,校直过程中容易出现开裂失效现象。本文对冷轧辊用90SiCr6钢调质后校直开裂失效原因进行了探讨。试验表明,辊颈硬度为46~48HSD,与同材质辊坯正常调质后硬度相同;断裂处的化学成分符合90SiCr6钢辊坯的成分范围;断颈处测得的超声波(UT)波形并无明显异常,表明辊颈内部未存在某些细微裂纹、孔洞及夹杂物等缺陷。毛坯金相组织观察结果表明,原始辊坯的网状碳化物及液析均已超标;辊颈金相观察结果表明,组织内部存在严重的网状碳化物及聚集共晶碳化物。综合分析以上结果可知,内部严重网状碳化物及聚集共晶碳化物的存在是引发辊颈断裂的主要原因;当辊颈受到校直力作用时,轧辊发生塑性变形,位错堆积在网状碳化物及聚集共晶碳化物周围引发局部应力集中,进而诱发辊颈断裂。
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  Cr12曲杆表面裂纹缺陷分析

  赵旭艳, 程媛, 翁泉荣, 时飞扬

  物理测试. 2025, 43(4): 41-44.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240078

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  金属加工厂制造的Cr12曲杆经热处理后抛磨时,发现曲杆表面存在细裂纹。对含有裂纹缺陷的曲杆进行解剖取样,通过金相检验、扫描电子显微镜(SEM)检验以及化学成分分析等方法对曲杆表面裂纹的产生原因进行分析,金相检验揭示了曲杆内部组织的细微变化,而SEM则清晰地展示了裂纹的形态与分布。结果表明:淬火加热过程中所使用的盐浴介质,在特定树枝晶条件下对曲杆表面产生了腐蚀性影响,形成了微小的孔坑,并在组织应力和热应力的综合作用下产生了应力腐蚀裂纹。
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  06Cr19Ni10不锈钢无缝管腐蚀原因分析

  余海燕, 胡丛庆, 陈雪杰, 陈旭斌, 曹昕明

  物理测试. 2025, 43(4): 45-49.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240072

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  腐蚀失效是当前奥氏体不锈钢管应用的重要难题之一。06Cr19Ni10不锈钢无缝管管道在运行时发生了点状腐蚀失效,本文通过对失效管道取样进行宏观观察、微观检测、化学成分分析、晶间腐蚀检测等一系列理化检验,以及对材料运行介质,如水pH值、氯离子进行检测,分析讨论了06Cr19Ni10奥氏体不锈钢腐蚀失效的原因。试验结果表明,流体管中的水pH值为7.9,呈中性,且管材的晶间腐蚀检验结果合格,排除了晶间腐蚀失效的可能;无缝管化学成分分析和金相检验中未见异常,排除了流体管原材料微观缺陷导致失效的可能。分析认为,流体管中水的氯离子含量为62.04 μg/g,超出了压力试验时对水质的要求,加之淤泥堆积的影响,导致不锈钢管多处出现点腐蚀坑,点腐蚀坑逐渐扩展直至穿透整个不锈钢管壁厚,最终导致失效泄露。建议更换点腐蚀当量更高、耐点腐蚀性能更佳的316系列奥氏体不锈钢或奥氏体-铁素体双相钢无缝管。同时结合304系列材料的失效案例,对304系列材料的使用环境给出合理建议。
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  某减速箱齿轮轴断裂原因分析

  张康, 金璐, 郑飞

  物理测试. 2025, 43(4): 50-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240075

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  某18CrNiMo7-6钢齿轮轴设计寿命为47.2个月,但在服役6个月后发生断裂。为了确定失效原因,防止此类失效事件再次发生,本文通过扫描电子显微镜(SEM)、金相分析、硬度测试、化学成分测试等手段对试件进行理化分析。结果表明,基体显微组织为回火索氏体,同时存在偏析马氏体组织。这两种组织在硬度上存在差异,并在材料中穿插分布。偏析区域由于硬度较高,更易于在服役过程中形成应力集中点,这造成齿轮轴在长期服役过程中裂纹萌生和扩展,最终导致齿轮轴的断裂。
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  20CrNi2Mo重载齿轮断裂原因分析

  潘恒沛, 张利娟, 王珂, 张佳旗, 方俊基, 张欣耀

  物理测试. 2025, 43(4): 54-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240076

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  某矿山机械用20CrNi2Mo重载齿轮使用约3个月后齿轮断裂,本文对其失效原因进行了分析,以揭示齿轮断裂的内在机制,为提高齿轮的可靠性和使用寿命提供理论依据。通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析等手段分析了重载齿轮的失效形式。分析结果显示,失效齿轮在冶炼过程中引入了氧化物夹渣,在外界载荷的反复作用下,这些夹渣充当了疲劳源,为裂纹的萌生和扩展提供了有利条件,金相分析和SEM观察证实,疲劳裂纹从夹渣附近萌生,并在持续的载荷作用下不断扩展,最终导致齿轮发生疲劳断裂。针对这一问题,建议在冶炼工艺中采取优化熔炼、浇注和凝固条件,加强原材料控制等手段,尽可能减少氧化物夹渣的产生,从而提高齿轮的可靠性和使用寿命。
专题探讨
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  国内外钢中带状组织检验标准解析

  蔡煜, 徐磊, 殷绪强, 李珺, 徐益飞, 朱寅

  物理测试. 2025, 43(4): 58-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240056

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  带状组织是材料内部缺陷之一,主要表现为金属材料中单相或多相组织呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列。其对力学及使用性能影响较大,因此带状组织的评定在产品验收中相对比较重要。对于带状评级,国标、美标的方法有所不同,选用时对于带状评级的结果影响较大。本文通过对比不同带状组织评定标准的规定以及实例演示各标准的评级过程,对国内外的带状测试标准进行分析讨论。
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  不锈钢中马氏体组织的原始奥氏体晶粒度显示方法

  赵骏, 杜春艳, 周志梭, 李明帆

  物理测试. 2025, 43(4): 65-68.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240074

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  原始奥氏体晶粒度的显示和控制对于调控不锈钢固溶处理过程中奥氏体化温度具有重要意义。金相试验中多用化学腐蚀方法显示碳钢和合金钢的奥氏体晶粒度,但由于化学腐蚀方法腐蚀不锈钢难度较高,使得不锈钢中原始奥氏体晶粒度的显示成为难题。据此,本文自制电解抛光设备,提出了一种采用复合型电解液进行电解腐蚀显示马氏体不锈钢和马氏体型沉淀硬化型不锈钢原始奥氏体晶粒度的方法。试验设备由直流电源、250 mL烧杯、420材质的不锈钢样品夹及304不锈钢钢板(阴极)组成,电解液主要由30%~50%(体积分数)去离子水和50%~70%(体积分数)硝酸、及少量磷酸和硫酸组成,阴极浸泡在电解液中的面积约2 000 mm²(正反面)。分别选择07Cr16Ni6钢和0Cr17Ni4Cu4Nb钢两种材料进行了电解腐蚀条件的优化。结果表明,控制电解电压为4.5 V,电解时间为15 s,采用100 mL水+100 mL硝酸+6 mL磷酸+3 mL硫酸电解液进行电解腐蚀,可以清晰显示07Cr16Ni6钢的原始奥氏体晶粒度;控制电解电压为0.5 V,电解时间为40 s,采用100 mL水+100 mL硝酸+8 mL磷酸+3 mL硫酸电解液进行电解腐蚀,可以清晰显示0Cr17Ni4Cu4Nb钢的原始奥氏体晶粒度。本文方法可为其他基体组织为马氏体的不锈钢的奥氏体晶粒度显示提供借鉴。
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  对实验室计量确认的探讨

  殷绪强, 蔡煜, 王林辉, 陈亮, 朱寅

  物理测试. 2025, 43(4): 69-72.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20240077

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  在产品试验过程中,测量数据的准确性是保障产品质量的核心要素,而实验室测量设备的计量状态直接影响检测结果的可靠性。计量确认作为质量管理体系的重要组成部分,能够有效确保测量设备的计量特性符合预期用途要求,从而避免因设备偏差导致的数据失真风险。在计量确认过程中首先需要明确测量设备的测量需求,制订校准方案;其次是实施计量校准;最后通过校准确认将设备的实际计量特性与预期要求进行对比分析,判定其适用性;此外,本文还通过硬度计校准确认的实例进行分析为实验室构建标准化、规范化的计量管理体系提供了参考路径。