材料近代测试方法第八章：超声波、射线探伤检测课件

材料检测方法材料科学与工程专业主干专业课程2023年2月6日

第八章超声波、射线探伤检测光明给我们经验，读书给我们知识。

——奥斯特洛夫斯基1．超声波检测的原理；2．超声波仪器、探头和试块；3、超声波探伤方法和通用探伤技术；4、射线探伤分析的原理及其应用.5、磁粉探伤分析的原理及其应用学习内容：1、了解各种方法的探伤机理；2、能够进行探伤分析重点：

2）按缺陷显示方式分类（1）A型显示探伤仪：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间(或距离)，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。（2）B型显示探伤仪：B型显示是一种图象显示，荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距离)，因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷分布及深度。（3）C型显示探伤仪：C型显示也是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而，当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。（4）3D显示探伤仪：B型显示和C型显示的不足之处是对于缺陷的深度和空间分布不能一次记录成象，而3D显示技术能把B、C显示相结合产生一个准三维的投影图象，同时能表示出缺陷在空间的特征。3）按超声波的通道分类（1）单通道探伤仪：这种仪器由一个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用最广泛的仪器。（2）多通道探伤仪；这种仪器由多个或多对探头交替工作，每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪，如CTS--22、CTS--26等都是A型显示脉冲反射式探伤仪。三、仪器主要组成部分的作用

1、同步电路：同步电路又称触发电路，它每秒钟产生数十至数千个脉冲，用来触发探伤仪扫描电路、发射电路等，使之步调一致、有条不紊地工作。因此，同步电路是整个探伤仪的“中枢”，同步电路出了故障，整个探伤仪便无法工作。2、扫描电路：扫描电路又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描时基线。探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫描电路的控制旋钮。探伤时，应根据被探工件的探测深度范围选择适当的深度档级．并配合微调旋钮调整，使刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。3、发射电路：利用闸流管或可控硅的开关特性，产生几百伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超声波，可控硅发射电路的典型电路如教材图4-30所示。发射电路中的电阻Ro称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变Ro的阻值。阻值大发射强度高，阻值小发射强度低，因Ro与探头并联，改变Ro同时也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。4、接收电路：接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、检波，最后加至示波管的垂直偏转板上，并在荧光屏上显示。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约105的放大能力。5、显示电路：主要由示波管及外围电路组成。示波管用来显示探伤图形，示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等三部分组成，其基本结构如图所示。1、工作方式选择旋钮工作方式选择旋钮的作用是选择探测方式。即“双探”或“单探”方式。当开关置于“双探”时，为双探头一发一收工作状态，可用一个双晶探头或两个单探头探伤，发射探头和接收探头分别连接到发射插座和接收插座。当开关置于“单探”时，为单探头发收工作状态，可用一个单探头探伤，此时发射插座和接收插座从内部连通，探头可插入任一插座。2、发射强度旋钮发射强度旋钮的作用是改变仪器的发射脉冲功率，从而改变仪器的发射强度。增大发射强度时，可提高仪器灵敏度，但脉冲变宽，分辨力变差。因此，在探伤灵敏度能满足要求的情况下，发射强度旋钮应尽量放在较低的位置。3、增益旋钮（增益细调旋钮）作用是改变接收放大器的放大倍数，进而连续改变探伤仪的灵敏度。4、衰减器衰减器的作用是调节探伤灵敏度和测量回波振幅。调节灵敏发时，衰减读数大，灵敏度低；衰减读数小，灵敏度高。测量回波振幅时，衰减读数大，回波幅度高；衰减读数小，回波幅度低。一般探伤仪的衰减器分粗调和细调两种，粗调每档10dB或20dB，细调每挡2dB或1dB，总衰减量80dB左右。5、抑制旋钮抑制荧光屏上幅度较低或认为不必要的杂乱反射波，使之不予显示，从而使荧光屏显示的波形清晰。在探伤中一般不使用抑制。6、深度范围旋钮（深度粗调旋钮）作用是粗调荧光屏扫描线所代表的探测范围。调节深度范围旋钮，可较大幅度地改变时间扫描线的扫描速度。从而使荧光屏上回波间距大幅度地压缩或扩展。7、深度细凋旋钮精确调整探测范围。调节细调旋钮。可连续改变扫描线的扫描速度，从而使荧光屏上的回波间距在一定范围内连续变化。8、延迟旋钮（脉冲移位旋钮）用于调节开始发射脉冲时刻与开始扫描时到之间的时间差。调节延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左右移动，而不改变回波之间的距离。调节探测范围时，用延迟旋钮可进行零位校正，即用深度粗调和细调旋钮调节好回波间距后，再用延迟旋钮将反射波调至正确位置，使声程原点与水平刻度的零点重合。9、聚焦旋钮聚焦旋钮的作用是调节电子束的聚焦程度，使荧光屏波形清晰。l3、垂直旋钮垂直旋钮用于调节扫描线的垂直位置。调节垂直旋钮，可使扫描线上下移动。14、辉度旋钮辉度旋钮用于调节波形的亮度。15、深度补偿开关有些探伤仪设有深度补偿开关或“距离振幅校正”(DAC)旋钮，它们的作用是改变放大器的性能，使位于不藏深度的相同尺寸缺陷的回波高度差异减小。16、显示选择开关显示选择开关用于选择“检波”或“不检波”显示。五、仪器的维护六、数字智能探伤仪1、数字智能探伤仪的特点1)检测速度快2)检测精度高3)可靠性高、稳定性好4)记录与存档5)可编程性2、数字智能探伤仪的发展前景1)成像技术的应用2)缺陷定性第二节超声波测厚仪一、共振式测厚仪1、原理：当工件厚度为半波长的整数倍时，反射波与入射波互相迭加，形成驻波，产生共振。这时工件厚度与波速、频率的关系为：2、方法：测厚时，调节原理图中的调谐电容C，改变振荡频率。由频率振荡器输出的交变电信号加到超声波探头上，产生超声波在工件中传播。当超声波在工件中产生共振时。探头负载阻抗减小，通过电流表A的板极电流达极大值，这时的频率为共振频率。再次调节电容C。改变频率，测出相邻的另一共振频率，进而利用上式求出工件厚度。共振式测厚仪可测厚度下限小，最小可达0.1mm；测试精度较高，可达0.1%。但使用不大方便t不能直读，须用公式计算工件厚度。另外要求被测工件上下表面平整光洁。三、测厚仪的调整与使用1、测厚仪的调整

1）仪器的下限要用一块厚度为下限的试块来校准。例如下限为1mm的仪器要有一块1mm厚的试块。调整时将探头对准该试块底面。使仪器显示厚度为lmm即可。

2）线性要用厚度不同的试块来校正。调整时将探头分别对准厚度不同的试块底面，使仪器显示相应试块厚度。

2.测厚方法

先据工件厚度情况和精度要求选择探头。工件较薄时宜选双晶或带延迟块探头，工件较厚时宜选单晶探头。测厚与探伤一样，要求工件表面光洁平整。测试时要施加一定的耦合剂。测厚时，探头放置要平稳、压力适当。第三节超声波探头一、压电效应1、正压电效应：晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。2、逆压电效应：当晶体材料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。探头发射超声波，高频电脉冲激励探头压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能。二、压电材料：单晶石英(SiO2)，在正常情况下，各原子的电荷相互平衡，不显电荷，呈中性。当晶体受到压应力作用时，使正、负电荷中心不重合，产生正负游离电荷。当晶体受到拉应力作用时，同样也会在晶体表面极板上出现正、负游离电荷，不过这时极板电荷与受压力作用时极板电荷相反。这就是正压电效应。反之，如果在晶体表面极板上施加正、负电荷，晶体就会产生伸缩变形，即逆压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分单晶材料和多晶材料，常用的单晶材料有石英(SiO2)、硫酸锂(Li2SO4)、铌酸锂(LiNbO3)等。常用的多晶材料有钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PbZrTiO3，缩写为PZT)、钛酸铅(PbTiO3)等，多晶材料又称压电陶瓷。单晶材料接收灵敏度较高，多晶材料发射灵敏较高。3、介电常数ε

当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε愈大，电容C也就愈大，即电容器所贮电虽就愈多。压电晶体的ε应根据不同用途来选取。超声波探伤用的压电晶体，频率要求高，ε应小一些。因为ε小，C小，电容器充放电时间短,频率高。扬声器频率低，ε应大一些。

4、机电耦合系数K

表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。5、机械品质因子θm

压电晶片在谐振时贮存的机械能E贮与在一个周期内损耗的能量E损之比称为机械品质因子θm。压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的。θm值对分辨力有较大的影响,θm值大，表示损耗小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低。反之，θm值小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力就高。6、频率常数N

说明压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数，用Nt表示。晶片厚度一定，频率常数大的晶片材料的固有频率高，厚度愈小。7、居里温度Tc：使压电材料的压电效应消失的温度。四、超声波探头对晶片的要求：1、机电耦合系数K较大，以便获得较高的转换效率。2、机械品质因子θm较小，以获得高分辨力和小盲区。3、d33和g33较大，以获得高发射灵敏度和接收灵敏度。4、Nt较大，介电常数e较小，以便获得较高的频率。5、居里温度Tc较高，声阻抗Z适当。2、斜探头（介绍横波斜探头）1）主要探测缺陷：与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤等。2）组成部分及其作用（横波斜探头实际上是直探头加透声斜楔组成）：透声斜楔的作用是实现波型转换，使被探工中只存在折射横波。3）标称方式：K=tgβ3、表面波探头1）主要探测缺陷：表面或近表面缺陷2）4、双晶探头(分割探头)1）分类：根据入射角αL不同，分为双晶纵波探头和双晶横波探头。2）优点：（1）灵敏度高（2）杂波少富区小（3）工件中近场区长度小（4）探测范围可调3）主要探测缺陷：近表面缺陷5、聚焦探头1）分类：点聚焦和线聚焦；水浸聚焦与接触聚焦2）以水漫聚焦探头为例说明聚焦探头的结构原理聚焦探头由直探头和声透镜组成。声透镜的作用就是实现波束聚焦。焦距F与声透镜的曲率半径r之间关系为6、可变角探头入射角是可变的。转动压电晶片使入射角连续变化,一般范围为0°-70°，可实现纵、横、表面和板波探伤。7、高温探头高温探头中的压电晶片需选用居里温度较高的铌酸锂(1200℃)、石英(550℃)、钛酸铅(460℃)来制作，外壳与阻尼块为不锈钢，电缆为无机物绝缘体高温同轴电缆，前面壳体与晶片之间采用特殊钎焊使之形成高温耦合层。这种探头可在400-700℃高温下进行探伤。六、探头型号1、探头型号的组成项目基本频率，晶片材料，晶片尺寸，探头种类，特征2、举例：第四节试块一、试块的作用1、确定探伤灵敏度2、测试仪器和探头的性能3、评判缺陷的大小4、调整扫描速度二、试块的分类1、按试块来历：1）标准试块：如IIW试块和IIW2试块2）参考试块：如CS-1试块、CSK-IA试块等2、按试块上人工反射体：1）平底孔试块：如CS-I、CS-2试块2）横孔试块：如CSK-IA和CSK-ⅢA3）槽形试块：如无缝钢管探伤中所用的试块，内、外圆表面就加工有三角尖槽。三、国内外常用试块简介1、IIW试块1）尺寸：如图3.212）材质：20号钢，正火处理，晶粒度7-8级2、IIW2试块1）尺寸：如图3.222）主要用途：（1）测定斜探头的入射点和折射角（2）测仪器的水平线性、垂直线性和动态范围（3）测仪器和探头的组合灵敏度3、CSK-IA试块在IIW试块基础上改进得到，CSK-IA试块有三点改进；1）将直孔φ5O改为φ50、φ44、φ4O台阶孔，以便于测定横波斜探头的分辨力。2）将R100改为RIOO、R50阶梯圆弧，以便于调整横波扫描速度和探测范围。3）将试块上标定的折射角改为K值(K=τgβ2)，从而可直接测出横波斜探头的K值。4、半圆试块结构：5、CSK—ⅡA、CSK—ⅢA试块和CSK—ⅣA试块

JB4370—94标准中规定的焊缝超声波探伤用的横孔标准试块。6、CS—1和CS—2试块

CS—1和CS—2试块是我国机械部颁平底孔标准试块，材质一般为45号碳索钢。7、RB试块

RB试块是钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级标准GB11345—89规定的试块。该试块上加工有φ3mm横通孔，试块的材质与被检工件相同或相近。8、钢板探伤试块试块的材质与被探钢板相同或相近。试块上的人工缺陷为φ5平底孔。该试块主要用于调节探伤灵敏度。适用于板厚为6-250mm的压力容器用钢板超声波探伤。9、无缝钢管探伤试块主要用于调节探伤灵敏度和对工件评级。适用于外径为12-480mm,壁厚≥2mm的压力容器高压无缝钢管或外径为12-160mm、壁厚为2-10mm的不锈钢管超声波探伤。第五节仪器和探头的性能及其测试一、仪器的性能及其测试1、垂直线性：1）定义：指仪器示波屏上的波高与探头接收的信号之间成正比的程度。2）测试方法：（1）[抑制]至“0”，[衰减器]保留30dB衰减余量。（2）直探头置于IIW上，对准25mm底面。（3）调仪器使某次底波位于示波屏的中间，并达满幅度100%，但不饱和，作为“0”dB。（4）固定[增益]和其他旋钮，调[衰减器]，每次衰减2dB，并记下相应的波高，直到底波消失。（5）计算垂直线性误差3）仪器要求：垂直线性误差D≤8%2、水平线性1）定义：指仪器示波屏上时基线显示的水平刻度值与实际声程之间成正比的程度。2）测试方法：（1）将直探头置于IIW上，对准25mm厚大平底面。（2）调[微调]、[水平]或[脉冲移位]旋钮，使示波屏上出现五次底波，使B1对准2.0，B5对准10.0。记录B2、B3、B4与水平刻度4．0、6．0、8．0偏差值a2、a3、a4（3）计算水平线性误差3）仪器要求：水平线性误差≤2%

3、动态范围1）定义：指仪器示波屏容纳信号大小的能力。2）测试方法：［抑制]到“0”，将满幅度100%某波高用［衰减器］衰减到刚能识别的最小值所需衰减的分贝值就是仪器的动态范围。3）仪器要求：动态范围不小于26dB4、衰减器精度1）衰减器的误差N可按下式估算：N(dB)=20lgH1/H22）仪器要求：任意相邻12dB误差≤ldB。二、探头的性能及其测试1、斜探头入射点

1）定义：指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。2）测试方法（如图3.41）：将斜探头放在IIW试块上，使R100圆柱曲底面回波达最高时，斜楔底面与试块圆心的重合点就是该探头的入射点。这时探头的前沿长度为：

l0=R—M2、斜探头K值和折射角βs1）定义：K=tgβs2）测试方法：当探头置于B位置时，可测定K=0.7-1.73当探头置于C位置时，可测定K=1.73-3.73当探头置于D位置时，可测定K=3.73-5.67以C位置为例：3、探头主声束偏离与双峰1）定义：探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为主声束的偏离，常用偏离角θ来表示。平行平移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰。2）测试方法（以斜探头为例）：探头对准试块棱边，移动并转动探头，找到棱边最高回波，这时探头侧面平行线与棱边法线夹角θ就是主声束偏离角。探头对准横孔，并前后平行移动，当示波屏出现双峰波形时，说明探头具有双峰。4、探头声束特性1）直探头:先在直探头圆周四个对称位置上作出标记+x、-x、+y、-y，再将探头对准试块上的声程为2N左右的某横通孔，找到最高回波，然后沿X方向平行移动探头，测出横通孔回波下降6dB时探头移动距离W-x、W+x。用同样方法测出y方向的探头移动距离W-y、W+y。2）斜探头：将探头放在40mm厚的试块上，移动探头找到φ4竖痛孔最高回波，并在试块上标记探头中心O点，然后使探头在O点左右移动，找到使φ4回波下降6dB时的移动距离W+y、W-y。三、仪器和探头的综合性能及其测试1、灵敏度：整个探伤系统发现最小缺陷的能力。1）衡量标准：常用灵敏度余量来衡量。2）灵敏度余量测试方法：（1）仪器与直探头的测试：①仪器[增益]至最大，[抑制]至“0”，[发射强度]至“强”，连接探头，并使探头悬空，调[衰减器]使电噪声电平≤l0%，记下此时的[衰减器]的读数N1dB。②将探头对准200/φ2。调[衰减器]使φ2平底孔回波高达50％，记下此时[衰减器]读数N2dB。N=N2-N1(dB)（2）仪器与斜探头的测试：①[增益]至最大，[抑制]至“O”，发射强度至“强”，连接探头并悬空，记下电噪声电平≤l0％的衰减量N1。②探头置于IIW试块上，记下使R100圆弧面的第一次反射波最高达50％时的衰减量N2。N=N2-Nl(dB)2、盲区1）定义：指从探测面到能够发现缺陷的最小距离。2）测定方法：示波屏上能清晰地显示φl平底孔独立回波的最小距离即为所测的盲区。如果没有盲区试块，也可利用IIW或CSK—IA试块来估计盲区的范围。3）要求：盲区小于或等于7mm3、始脉冲宽度1）定义：指在一定的灵敏度下，示波屏上高度超过垂直幅度20％时的始脉冲延续长度。始脉冲宽度与晶片的机械品质因子θm和发射强度有关。θm值大，发射强度大，始脉冲宽度大。2）测定方法：按规定调好灵敏度并校准“0”点，示波屏上始脉冲达20%高处至水平刻度“0”点的距离即为始脉冲宽度。4、分辨力1）定义：指在示波屏上区分相邻两缺陷的能力。2）测试方法：（1）仪器与直探头分辨力的测定：[抑制]至“0”，探头置于CSK—IA试块上，左右移动探头，使示波屏上出现85、91、100三个反射回波A、B、C。

①当A、B、C不能分开，则分辨力F为：②当A、B、C能分开时，则分辨力F为：（2）仪器与斜探头分辨力的测定：探头置于CSK—IA试块上，对准φ50、φ44、φ40三阶梯孔，使示波屏上出现三个反射波。平行移动探头并调节仪器，使φ50、φ44回波等高，其波峰为hl，波谷为h2，则其分辨力

实际测试时用[衰减器]将h1衰减到h2，其衰减量△N为分辨力，即X=△NdB。5、信噪比1）定义：指示波屏上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比。2）测试方法：一般以200/φl平底孔反射回波H信与噪声杂波高H噪之间的分贝差来表示信噪比的大小。△=20lgH信/H噪。射线探伤采用X射线或