无损探伤检测中气孔缺陷的形成原因与检测方法

气孔是金属构件（如铸件、焊缝、锻件）中最常见的体积型缺陷之一，其本质是材料制备过程中气体未能及时排出而形成的空洞。这类缺陷会直接降低材料的力学性能（如抗拉强度、疲劳寿命）与耐腐蚀能力，甚至成为设备失效的“导火索”——例如，压力容器中的内部气孔可能引发爆炸，汽车发动机缸体的表面气孔会导致 coolant 泄漏。因此，明确气孔的形成机制、选择合适的无损检测方法，对保障产品质量与使用安全至关重要。本文将从气孔的基础特性入手，系统分析其形成原因，并详细介绍各类无损检测技术在气孔检测中的应用。

气孔缺陷的基础特性与性能影响

气孔是材料在凝固或冷却过程中，内部或表面残留的气体空洞的统称。从形态看，气孔多为圆形、椭圆形或不规则球形；从位置划分，可分为表面气孔（暴露于外）、近表面气孔（表面下≤5mm）与内部气孔（深埋内部）；从成因分，可分为吸气型气孔（金属液吸收气体）、卷入型气孔（浇注时卷入空气）与反应型气孔（化学反应产生气体）。

气孔对材料性能的破坏是多方面的。力学上，内部气孔会降低材料的有效承载面积——当钢材气孔率达2%时，抗拉强度可下降15%~20%；对于承受交变载荷的构件（如飞机起落架、桥梁钢），气孔会成为疲劳裂纹的起点，缩短寿命50%以上。表面气孔则会降低耐腐蚀性能，因为气孔处易积聚盐雾、酸雨等介质，引发局部腐蚀（如不锈钢的点腐蚀）。

气孔缺陷的核心形成原因

气孔的形成源于“气体引入-气体排出”的失衡，具体可归纳为三类因素：

原材料因素：炉料（如废钢、合金锭）潮湿或带油污，加热时水分分解产生氢气、一氧化碳，融入金属液；铝、镁等合金元素易吸氢——铝液700℃时吸氢量达0.6ml/100g，凝固时无法排出形成针孔；熔剂（如炼钢石灰）带水，也会引入大量气体。

工艺参数不当：熔炼温度过高（钢液1600℃吸氢量是1400℃的3倍），加剧气体溶解；浇注速度过快（如铸件浇注速度>50mm/s），金属液卷入空气形成“卷入性气孔”；铸型透气性差（砂型水分>5%、排气孔堵塞），气体无法排出，被金属液包裹。

操作不规范：精炼不充分（如铝合金除气剂用量<0.3%、搅拌不均），金属液中气体未有效去除；浇注系统设计不合理（直浇道太短、横浇道无挡渣板），导致金属液流动紊乱，带入空气。

射线检测：内部气孔的直观成像法

射线检测（RT）是检测内部气孔的“金标准”，原理是利用X/γ射线穿透工件——气孔密度远低于基体（如钢密度7.85g/cm³，气孔接近空气0.0012g/cm³），吸收射线更少，底片上显示为边界清晰的黑色圆形/椭圆形影像。

RT的优势是直观、定量准确：可测量气孔的直径、面积与深度（结合射线角度），适合铸件、焊缝的内部气孔检测——例如，汽车发动机缸体的铝合金铸件，RT可确保气孔直径≤0.5mm、气孔率≤0.5%。缺点是对厚件（>50mm钢件）灵敏度下降，且有辐射风险，需防护。

超声检测：中厚件的深度定位法

超声检测（UT）利用超声波反射原理：探头发射的超声波遇到气孔（异质界面）时反射，荧光屏显示脉冲信号。常用2~5MHz探头，直探头测内部气孔，斜探头测近表面气孔。

UT的优势是无辐射、深度定位准：适合中厚板（>20mm）或大型构件（如压力容器、船舶 hull 板）——可检测80mm厚钢板中60mm深、1mm直径的气孔。缺点是对<0.5mm的小气孔灵敏度低（易被噪声掩盖），且需耦合剂（如机油），粗糙表面（如砂型铸件）检测困难。

磁粉与渗透：表面气孔的专项检测

磁粉检测（MT）：仅适用于铁磁性材料（碳钢、合金钢），原理是磁化后，表面/近表面气孔形成漏磁场，吸引磁粉聚集形成磁痕——例如，汽车齿轮的表面气孔，磁痕显示为圆形黑色堆积。优势是快速、灵敏（测表面下2mm内0.1mm气孔），缺点是不能测非铁磁材料（如铝、铜），表面粗糙会干扰磁痕。

渗透检测（PT）：适用于所有材料，原理是渗透液（荧光/着色）渗入表面开口气孔，显像剂吸出后显示缺陷——例如，焊接件表面气孔，着色PT显示为红色斑点。优势是操作简单、成本低，缺点是仅测表面开口气孔，埋藏气孔无效，需多次清洗。

涡流检测：导电材料的非接触检测

涡流检测（ET）利用电磁感应：探头线圈的交变电流在导电材料中产生涡流，气孔会改变涡流分布，通过检测涡流变化识别缺陷。适用于铝、铜等导电材料的表面/近表面气孔。

ET的优势是非接触、自动化——可用于流水线铝型材检测，无需耦合剂；缺点是对复杂形状构件（异形铸件）检测难，灵敏度随深度增加而下降（仅测表面下1mm内气孔）。

检测方法的选择逻辑

选择检测方法需结合材料类型、缺陷位置、检测要求：①内部气孔：铸件选RT，中厚钢件选UT；②表面/近表面气孔：铁磁材料选MT，非铁磁材料选PT；③导电材料的快速检测选ET；④需定量尺寸选RT，需深度定位选UT。例如，汽车轮毂（铝合金铸件）的内部气孔用RT，表面气孔用PT；桥梁钢构件（碳钢）的内部气孔用UT，表面气孔用MT。