第三篇无损检测复习

1、第三篇 无损检测技术及其应用第一章无损检测概述1.1概述 无损检测技术可对工程材料、零部件和构件进行百分之百的检测，并根据检出缺陷的特性，依据常规力学或断裂力学的判据作出恰当的评价。所以无损检测技术是为了保证材料和构件的高质量、高性能以及在安全可靠的基础上经济、有效地使用而提供依据的重要方法。1、它是工业生产中实现质量控制、节约原材料、改进工艺和提高劳动生产率的重要手段；设备安全运行的重要监测手段。无损检测技术于断裂力学、计算技术等相邻学科互相配合,显著的经济效果。应用极为广泛: 无损检测技术在航空与航天、核技术、武器系统、电站设备。铁道与造船、石油与化工、锅炉和压力容器、建筑、冶金和机械制造

2、等工业中应用极为广泛。2、随着现代物理学、材料科学、微电子学和计算机技术的发展，无损检测技术也获得了迅速发展。各种无损检测方法的基本原理几乎涉及现代物理学的各个分支。按照不同原理方法和不同的探测及信息处理方式，详细的统计了已应用和正在研究的无损检测方法，总共大约70余种。主要包括:射线检测、声和超声检测、电学和电磁检测、力学和光学检测、热力学方法和化学分析方法。现代无损检测技术还应包括计算机数据和图像处理、图像识别与合成和自动化检测技术等。3、在工业生产检测中，目前应用广泛的无损检测方法:液体渗透法、磁粉检测法、射线检测法、超声波检测法和涡流检测法。近年来，声发射检测和激光全息摄影检测等也获得

3、了迅速的发展和应用。1.2材料和构件中缺陷与强度的关系 材料与构件的脆性断裂，带来很多的灾难性事故。是研究各种材料的一个重要方面。 为了避免金属材料与构件在加工制造和使用中发生断裂，人们要求材料具有良好的综合机械性能（较高的强度和韧性）。 金属材料强度的来源是金属原子间的结合力。如果金属原子间的结合力能得到充分的发挥，按照理论上所计算出来的金属强度比金属在实际上所表现的强度要高出23个数量级。 而在实际的材料和构件中，金属原子间的结构都不是理想的完整晶体。而是存在着大量的微观缺陷和宏观缺陷。微观缺陷：空位、间隙原子、杂质原子、位错、堆垛层错、晶界和相界等。宏观缺陷：是材料和构件在冶金、铸造、锻

4、造、焊接、轧制、热处理、磨削等加工过程中产生的，如气孔、疏松、缩孔、夹渣、夹杂物、裂纹、折叠、未焊透等。1. 裂纹又可分为铸造裂纹、轧制和锻造裂纹、应力腐蚀裂纹热处理裂纹、酸洗裂纹、磨削裂纹、疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、焊接裂纹和热应力裂纹等。由于这些缺陷的存在，大大降低了材料和构件的强度。因此研究断裂问题必须与材料和构件中的缺陷联系起来。 在工程上往往桉断裂前材料发生的变型量的大小或者桉断口的形貌把断裂区分为脆性断裂和韧性断裂。在特定条件下，还可分为冲击断裂、蠕变断裂、疲劳断裂和应力腐蚀断裂等。材料和构件中的缺陷与强度的关系:与材料和构件的使用条件如应力、温度、环境及缺陷的类型、大小、取向、位置

5、（表面、内部或应力集中部位）等多种因素有关。因此，在研究材料和构件中缺陷与强度时，必须综合如下各种因素：1. 材料、焊缝和构件所处的应力条件和环境条件；2.缺陷的类型、形状、大小、取向、部位和内含物等情况；3. 材料、焊缝和构件中有缺陷部位的厚度；4. 材料、焊缝的机械性能试验结果；5. 材料、焊缝的断裂力学性能试验结果；6. 有缺陷部位的残余应力分布状况；7. 各种使用条件的性能；这里应加以研究的各种条件的性质有：1静态强度；2蠕变断裂强度；3疲劳强度（拉伸、扭转、弯曲等）；4抗脆性断裂性能；5耐腐蚀性和对应力腐蚀的敏感性；6耐泄露性能；7特

6、殊材料的抗氢脆性和耐辐射性能。在上述个因素中，特别要研究的是疲劳强度和脆性断裂的问题。 1.3无损检测技术的特点1)先搞清检测什么，再确定用何种方法和检测规范来达到目的。为此，要先分析缺陷的可能类型，部位，方向和性质，再确定检测方法。图1.2 为典型的缺陷出现率随其大小分布的曲线。无损检测是要确定最大的缺陷尺寸au ，有大于au 的缺陷时，所有工件必须报废。由于测量技术有一定误差，所以测得的缺陷尺寸为am时，工件就成为废品，其中am > au 。 如果需要判废的工件缺陷尺寸的测量值选得太小，势必造成过多的工件报废，不必要的提高成本。然而如果选择得太大，很多工件会失效，同样也会提

7、高成本，而且可能危及安全生产。因此，对于最低成本来讲，有一个最佳的选择。2)无损检测结果的可靠性，一般不可能完全检查出结构的异常部分。所测得的缺陷的种类、形状、大小和方位等信息，由于检测方法的不同有所差异。无损检测的结果必须与一定的破坏性检测结果形比较，才能建立可靠的基础并得到合理的评价。3)质量评定对象是随时间不同.例如，当考虑到热处理所引起的质量变化时，必须在热处理之前和之后分别进行无损检测。显然，在热处理之前的无损检测是对原材料制造工艺或对焊缝焊接工艺的检查；而在热处理之后的无损检测，无论如何都是对热处理工艺操作的检查。有时要用不同方法， 必须明确在什麽时间、用什麽方法检测。如，对高强度

8、钢焊缝延迟裂纹的检查在在焊接之后放置一昼夜以上才能进行。4)无损检测结果的评定： 对质量和寿命评定的依据之一。同时采用几种检测方法，得到更多的信息也很重要，但还应利用有关材料的、焊接的、加工工艺的知识综合判断。 总之，无损检测与评价技术是有关物理、化学、机械、冶金和材料科学与断裂力学等高度综合性技术。任何一种无损检测方式，都包括5个基本要素：5个基本要素：1）要有一个源，它提供适当的探测介质或激励被检测物体产生某种特殊运动；2）探测介质或特殊的运动方式受到被检测物体的结构异常（不连续或某种变异）而引起变化；3）要有一种探测器，它检测出探测介质或特殊运行方式的变化；4）记录和显示装置，以便指示或

9、记录有探测器发出的信号；5）解释这些信号的方法。 这五个要素源、变化、探测、指示和解释，是所有无损检测方法所共有的。1.4 无损检测方法的选择无损检测方法的目的：检测材料或构件中的缺陷或结构异常。由于被检对象的千差万别和各种无损检测方法的局限性，欲达到正确的选择方法和确定方案并不是一件容易的事。液体渗透检测法 检测材料或构件表面开口的缺陷，对埋藏于皮下或内部的缺陷，是无能为力的。其优点：方法简单、成本低，适用于有色金属、黑色金属和非金属等各种材料和各种形状复杂的零部件。但不适用于多孔材料。 磁粉检测：设备简单，操作方便，观察缺陷直观快速，具有较高的检测灵敏度。尤其对裂纹的显露十分敏感

10、。缺点：难以实现自动化；有局限性：即只适用于发现铁磁性材料表面和近表面的缺陷。漏磁检测法适用于轴类、棒材和管材等旋转对称试件；录磁检测法适用于平板、方坯和平面对接焊缝等试件；这两种方法可以实现快速自动化，并可获取比磁粉检测法更多的信息。电位检测法适用于检测裂纹的深度、裂纹平面的倾角、测厚、检测复合板结合层的质量。对于精密的电子束焊接和激光焊接，也可用电位法检测焊缝熔深。涡流法只适用于导体，并只能检测表面和近表面缺陷（即：探伤）。除了探伤外，涡流法海可以检测材料的电导率、磁导率、晶粒度、热处理状况、材料的硬度和几何尺寸，测量金属材料上的非金属涂层、铁磁性材料上的非铁磁性材料涂层的厚度。涡流法可以

11、实现自动化（因为：涡流探伤时，探头可不与工件接触，也不需要耦合介质）。对于管材、棒材、平板等各种型材可以使用不同的探头进行检测。采用多频多参数涡流检测法。还可以同时给出多种材料信息和数据。 射线检测法适用于检测出材料或构件的内部缺陷。它对体积型缺陷比较灵敏，而对平面状的二维缺陷不敏感，只有当入射方向与裂纹平面相一致时，才有可能检查出裂纹类缺陷。所以，射线检测法适用于铸件和焊缝检查，因为存在着气孔、夹渣、密集气孔、冷隔和未焊透、未熔合等缺陷往往是体积型的。超声波检测法能检测材料或构件的表面缺陷和内部缺陷，尤其对裂纹、叠层和分层扽发平面缺陷，具有很强的检出能力。 无损检测方法的选择检测方

12、法适用情况渗透检测材料或构件表面开口的缺陷磁粉检测铁磁性材料表面和近表面的缺陷。涡流法检测导体，只能检测表面和近表面缺陷超声波检测法材料的表面缺陷和内部缺陷，裂纹、叠层和分层扽发平面缺陷射线检测法检测出材料或构件的内部缺陷。它对体积型缺陷比较灵敏。如气孔、夹渣、密集气孔、冷隔和未焊透、未熔合等缺陷往往是体积型的。中子照相随工件厚度、密度以及化学成分变化而变化常用无损检测方法超声波检测：检测材料或构件的表面缺陷和内部缺陷。 射线：焊接件和铸件、复合材料内部缺陷检测，可进行现场检测服务。 工业CT：铸件及焊接接头内部缺陷检测，复杂零件内部尺寸测量。磁粉检测：设备简单，操作方便，观察缺陷直观快速，具

13、有较高的检测灵敏度。尤其对裂纹的显露十分敏感。只适用于发现铁磁性材料表面和近表面的缺陷。 渗透：表面缺陷检测。 涡流：导电材料零件表面及近表面缺陷检测，电导率测量，涂层厚度测量。第二章 射线检测2.1射线检测1. 检测用X射线装置原理：利用X射线管中高速电子撞击阳极靶，产生X射线。目前工业用X射线机的高压最大可达430KV。2. 检测用X射线装置结构：3. 分为两大类：移动式X射线机和携带式X射线机4. 。1）移动式X射线机：X射线管放在充满冷却绝缘油的X射线柜内，高压发生器油浸在高压柜内，其阴、阳两端通过高压电缆与X射线管的阴、阳两极连接，X射线管用强制循环油冷却，循环油再用水冷却。控制柜（

14、操作台）放于防射线的操作室内，用低压电缆与高压发生器相连接，操作台用来调节透照电压(KV)电流（mA）时间（min），电压过载，过电流过热等保护装置。通常体积重量较大，管压、管流均较大，是用于实验室，车间固定场所，可以透照较厚物体，节省透照时间。 2）携带式X射线机: 体积小重量轻适合于流动性检验会大型设备的现场检测。通常把X射线管和高压发生器放在射线柜内，没有高压电缆和整流装置，由控制器和射线柜两部分组成。  2.2射线检测原理和装置（p101）2.1.X射线检测法 X射线检测法目前主要有射线照相法、透视法（荧光屏直接观察法）和工业X射线照相法。当前应用最广，灵敏度最高的

15、是X射线照相法。2.X射线照相法的基本原理如图4.14（p101）所示。 当X射线穿透被照物体时有缺陷部位（如气孔、夹杂物等）与基体（金属或非金属）对射线的吸收能力不同。缺陷部位所含空气对射线的吸收能力大大低于基体（金属或非金属）对射线的吸收能力。因此，透过有缺陷部位的射线强度高于物缺陷部位的射线强度。在X射线胶片上对应的有缺陷部位将接受较多的X射线粒子，从而形成黑度较大的缺陷影像。当X射线穿透厚为d的被照物体时若无缺陷 Id = I0 e d (4.4)如果物体中存在有一厚度为X的缺陷时，则通过缺陷处的射线强度按 (4.4) 式可得 Id = Io e (d-x) (4.8)式中Id为射线透

16、过缺陷X后的射线强度，X为物体内部存在的缺陷沿射线方向的厚度。 假设X射线束垂直入射到胶片上，则X射线穿透一块完整的无缺陷的物体后，射线强度的衰减应是相同的，则到达胶片的射线强度Id也相同。当物体内部有缺陷时射线透过物体的缺陷部分和无缺陷部分后，到达胶片的射线强度各为Id和Id，如果Id和Id的相差越大，则在底片上呈现的图像就清晰，底片的对比度也越大。有公式(4.8)和(4.4)得出  Id / Id =e X (4.9)由(4.9)式可知，Id / Id的比值与缺陷厚度X有关，与取决于测量性质的衰减系数有关。值越大、缺陷厚度X越厚，则越容易发现缺陷。当缺陷太薄时，由于对射线透过的强

17、度衰减极少，因而净经透照后在底片上由缺陷处的变化也很小，以致难以将其发现。 3.伽玛射线源：（1）放射源作射线源，经常使用的放射源有192Ir,137Cs，60Co，170Tm诸种。（2）穿透厚度：如果使用管压为240KV的X射线装置，可检测的最大钢板厚度为100mm，应用60Co照射钢板为40225mm，应用电子加速器可穿透钢板的厚度范围为（80500）mm，如果改变厚度在500mm以上，目前还不能用射线检测法检测。4.工业CT产品名称:工业CT(在线检测) 工业CT是采用机算计断层扫描技术对产品进行无损检测（NDT）和无损评价（NDE）的最佳手段，ICT技术能准确地再现物体内部的

18、三维立体结构，能够定量地提供物体内部的物理、力学等特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平、异型结构的型状及精确尺寸，物体内部的杂质及分布等。工业CT技术广泛应用于兵器工业、汽车、造船、钢铁、石油钻探、精密机械、管道、地质、考古、安检等行业。2.3射线检测的应用1、射线检测对象：1）零件、部件或组件在其材料厚度和密度呈现差异的特性，差异大的远比差异小的易于检测。2）只能检测与射线束方向平行的厚度或密度上的明显异常部分，检测平面型缺陷如裂纹的能力取决于被检测件是否处于最佳辐照方向。3）在所有方向上都可以测量体积型的缺陷（如气孔、夹杂）只要它的相当于截面厚度的尺寸不是太小，都可以检测出来。2、特

19、点：1）射线检测原理是依靠射线透过物体厚衰减程度不同来进行检测的。2）适用于所有的材料。如检测各种测量的铸件与焊缝、塑料、蜂窝结构，以及炭纤维材料，还可用以了解封闭物体的内部结构。3）由于选择不同波长的射线所有可检测薄如树叶的钢材也可检测厚达500mm的钢材。例如用线型像质计，射线检测可发现缺陷的相对灵敏度一般可达12，个别采用特殊手段可达到优于1。4）射线检测法的应用受到厚度范围的限制，这一厚度范围主要所使用的射线源和最大可行的曝光时间确定的。第三章 超声波检测3.1超声波检测的特点与应用3.1、 超声波检测的特 性(p217-218) * (p217)超声波是超声振动在介质中的传播，其实质

20、是以波动形式在弹性介质传播的机械振动，其频率高于20KHz以上。超声波的频率f、波长、和声速c，满足下式 =c/7f (6.1)超声检测常用工作频率在0.4-5MHz,较低频率用于粗晶材料和衰减较大材料的检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测。对于某些特殊要求的检测，工作频率可达1050MHz。随着宽频窄脉冲技术你的研究和应用，超声探头的工作频率，有的已达100 MHz。超声波被用于无损检测，主要有以下几个特性：（1）超声波在介质中传播，遇到界面会发生反射；（2）超声波指向性好，频率越高。指向性越好；（3）超声波传播能量大，对各种材料的穿透能力较强。 近年研究表明，超声波的声速、衰减、阻抗和

21、散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息，并且成为超声波广泛应用的条件。 3.2 超声波探伤原理和特点原理：超声波探伤主要是通过测量信号往返于缺陷的渡越时间，来确定缺陷和表面间的距离；测量回波信号的幅度和发射换能器的位置，来确定缺陷的大小和方位。方法：脉冲反射法或A扫描法，此外还有B扫描法（可显示工件内部缺陷的纵截面图形）和C扫描法（可显示工件内部缺陷的横剖面图表）等。近年来，超声全息成像技术也在工业无损检测中获得了应用。特点：超声检测对于平面状的缺陷，例如裂纹，只要波束与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波。对球状缺陷，如气孔不是很大，或不密集，难以获得足够的回波。这一点与X射线检测方法

22、恰好相反，这是因为两者检测缺陷的原理不同，因此各有其易于检测和难于检测的缺陷。超声检测的最大优点：对裂纹、夹层、折叠、未焊透等类型的缺陷具有很高的检测能力。超声检测的不足：难以识别缺陷的种类。A扫描法，根据缺陷发生的位置，即使采用各种扫描方法，对缺陷种类的判别仍需要高度熟练的技术。B扫描法和C扫描法可给出缺陷的图形，对于识别缺陷的种类多大有益处。表面缺陷的检测，超声波法比磁粉法和渗透法的灵敏度要低，但超声波法可检测表面裂纹的深度(p218) 。晶粒度超声波在材料中传播时，受金属组织特别时晶粒大小的影响很大。对细晶材料，超声波可以穿透几米的厚度；而在粗晶材料中，超声波衰减严重，即使50mm后的试

23、件也很难用超声波检查。在结构疏松的一些非金属材料中，超声波的衰减更为严重。超声波检测的特点还有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活、设备轻巧、成本低廉、可即时得到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备检验。超声波检测通常要求工件比较简单、有规则、表面比较光洁。3.3试块1.标准试块标准试块是指材质、形状、尺寸和性能等由国际组织(如国际焊接学会IIW等)讨论通过的，或是由某个国家的权威机构讨论通过的试块，前者称为国际标准试块（如IIW试块），后者称为(该国的)国家标准试块(如美国材料试验协会推出的铝合金标准试块)。IIW试块是荷兰人在1955年首先提

24、出，1958年由国际焊接学会讨论通过的，国际标准IS024001972(E)也称之为荷兰试块，主要用于横波检测，可用于仪器探头特性的测试。目前许多国家采用的是1963年联邦德国颁布的国家标准试试块（DIN54120），其形状与IIW试块类似，差别仅是在R100mm圆心处的试块的两侧面多加了05mm宽的沟槽(见图224)，我国的CSKm试块的尺寸、结构示意图见图225。2.对比试块 对比试块是指检测特定试件用的试块，可用来调整仪器的灵敏度、测量范围，也可用来比较缺陷的大小。对比试块要用与待检工件声性能相同或相近的材料来制作。3.4 超声波检测方法和通用检测技术 超声波检测方法1按原理分类:脉冲反

25、射法、穿透法和共振法三种。1脉冲反射法 超声波探头发射脉冲波到被检测工件内，根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法，称为脉冲反射法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。按波形分类： 根据检测采用的波形，可将超声波检测分为纵波法、横波法、表面波法、板波法。第四章 磁粉探伤4.1磁粉检测的基本原理和方法 在磁导率不同的两种介质的界面上，磁感应线的方向会发生，称之为磁感应线的折射。若两种介质的磁导率相差悬殊，例如铁和空气，磁感应线进入空气后几乎垂至于界面，从而引起磁场路导致径的改变，导致部分磁通泄漏于钢材的表面，形成漏磁场。磁介质中的分布情况与磁介质的性质和形状等因素有关，通常引入物理

26、量：磁场强度H来描述。磁介质在外磁场作用下，其磁感应强度与外加磁场强度H有如下关系： B = µ H (2.4)式中 B 的主单位为特拉斯，H的主单位为A/m，µ 为磁导率, 主单位为H/m 物质磁导率与其他磁导率相比称为相对磁导率µr。对于铁磁物质1，其数值在几百到几万的范围内。铁磁物质还具有磁滞回线特性。图2.6示出磁化曲线和磁滞回线。磁化曲线的斜率即为磁导率µ。4.2磁粉检测方法磁粉检测按不同的分类方法，可分为以下几种类：1）按探伤方法分：连续法（附加磁场法） 和剩磁法；2）按磁化电流性质分：交流磁化法和直流磁化法；3）按磁场的方向分：周向磁化和纵

27、向磁化；4）按显示介质的状态和性质分：干粉法、湿粉法、荧光粉法；5）按磁化方法分：直接通电法、局部磁化支杆法、心杆法、线圈法、磁轭法。复合磁化法和旋转磁场法等。当零件磁化时，（如图2.7），在零件中就有磁感应线通过。当没缺陷时,磁化后磁感应线均匀分布。当工件有缺陷时，就会在缺陷处发生磁感应线外泄现象，即产生漏磁通，形成一对磁极。这种局部磁极吸引磁粉形成磁粉图。构件磁痕的形象和尺寸就可以判别缺陷的位置、大小、形状和性质。图2.8-2.13（p33-p34）为各种磁化方法的示意图。 旋转磁场法不限于较差线圈一种形式。例如，将零件夹入交流磁轭并的零件通以交流电，或在零件的的不同方向上通以不同相位的交

28、流电和半波整流电，都可以产生旋转磁场和进行复合磁化，达到一次磁化便可检测各种方向缺陷的目的。图2.14(p34)示出在钢棒中直接通以直流电进行磁化时的磁感应强度分布状况。钢棒中心磁感应强度为零。离开中心向外按线性增大，在工件表面达到最大值，为该点磁场强度的µ倍。在离开表面处由于空气的导磁率远远小于钢的导磁率，所以磁感应强度急剧减小到一定的数值，相当于空气中的磁场强度，然后随距离增大而衰减。用交流电磁化钢棒的磁感应强度分布曲线如图2.15(p35)所示。与直流电磁化的区别是，在钢棒内部磁感应强度的增加因趋肤效应而为非线性。 对空心钢件，例如厚壁管进行直接通电法磁化时，采用直流电和交流电

29、具有相似的情况，即工件内壁的磁感应强度为零。图2.16(p36)是直流电磁化时的情况。若用交流电磁化，情况与图2.16(p36)相似，只是在管内壁磁感应强度随离开距离而增大变化情况与图2.15(p35)相似。 如果要同时检查厚管壁内外表面的缺陷，必须采取心杆法进行磁化。此时内管壁的磁感应强度最大，如图 (p37)所示。上述情况在对空心零件做磁橡胶法或橡胶铸型法时都应特别注意。4.3 影响磁粉检测灵敏度的因素 影响磁粉检测灵敏度的因素:如零件磁化时表面磁场强度、磁化方法、磁场的方向、磁粉的质量、油液的粘度的磁悬液浓度、磁化时间和操作方法、受检材料的磁性强弱、去向新的性质、位置、方向、大小和零件的表面状态等。 磁化规范是否合理应是首要因素。若磁化不充分，零件表面的细小缺陷则不能清洗显示；磁化过强时则可能出现伪像。在检测时，将零件磁化到饱和和近饱和状态，使零件达到充分磁化，可以得到较高的灵敏度。 在一些标准中，根据铁磁物质的磁特性，求出确保缺陷显现的磁感应强度与其所对应的磁化电流I之间的关系，不同的磁化方法分别建立起电流I与工件长度/直径（L/D）的经验公式。在使用这些公式时，应考虑工件的材质、磁特性、形状、尺寸、热处理状态和检测方法等因素。 磁化电流的种类影响检查缺陷的深度。由于交流电的