故障诊断7第七章-【简化版】无损检测技术

第七章无损检测技术所谓无损检测，就是利用物质因存在缺陷而使其某一物理性能发生变化的特点，实现在不破坏或不改变被检物体的前提下，完成对该物体的检测与评价的技术手段的总称。无损检测包括超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测以及声发射检测等多种方法。1第一节常见缺陷的分类描述第二节超声波检测第三节射线检测第四节磁粉检测第五节渗透检测第六节涡流检测第七节声发射检测

2第一节常见缺陷的分类描述

无损检测主要是对材料或零件中缺陷的检测。不同的缺陷种类有不同的最适应的检测方法与之对应。3一、铸件中常见的缺陷现象(1)气孔(2)缩孔与缩松(3)夹砂与夹渣(4)裂纹(5)冷隔和浇不足(6)熔敷不良产生的缺陷(7)白点(发裂)(8)鼠尾(9)偏析4二、锻件中常见的缺陷现象

(1)夹砂和夹渣

(2)缩孔和疏松

(3)金属和非金属夹杂物

(4)龟裂

(5)过热

(6)过烧

(7)烧裂

(8)折叠

(9)白点5三、型材中常见的缺陷现象1．钢板中常见的缺陷现象(1)分层与夹杂物(2)裂纹(3)皮下气孔(4)表面缺陷2．棒钢中常见的缺陷现象(1)裂纹(2)夹杂(3)表面缺陷

63．钢管中常见的缺陷现象(1)外壁折叠(2)外壁划痕(3)横向裂纹(4)纵向裂纹7四、焊缝中常见的缺陷现象(1)裂纹(2)未焊透(3)未熔合(4)夹渣(5)夹杂(6)气孔(7)咬边(8)白点8五、使用与维修过程中常见的缺陷现象

(1)裂纹

(2)摩擦腐蚀

(3)气蚀9第二节超声波检测一、超声波检测的物理基础超声波检测就是先用发射探头向被检物内部发射超声波，用接收探头接收从缺陷处反射回来(反射法)或穿过被检工件后(穿透法)的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分析反射波或透射波的时延与衰减情况，即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小及其性质等方面的信息。10(一)超声波基础1．超声波的定义超声波是一种依靠弹性介质中的质点而传播的机械振动，即机械弹性波。因其频率超过人耳所能听见的声频段(16Hz～20kHz)而得名超声波。无损检测用的超声波频率范围为0.2～25MHz，其中最常用的频段为0.5～10MHz。

11超声波的特性：

(1)指向性好

(2)穿透能力强

(3)能量高122．超声波的分类(1)按质点振动方向分根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系的不同，可将超声波分为纵波、横波、表面波和板波等。这是超声检测中最常见的分类方法。13①纵波介质质点的振动方向与波的传播方向相同的波称作纵波，常用L表示。

纵波是当弹性介质的质点受到交变的拉压应力作用时产生的，故又称压缩波或疏密波。纵波可在任何弹性介质(固体、液体和气体)中传播。

14②横波介质质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称作横波，常用S或T表示。当介质质点受到交变剪切应力作用时，会产生剪切变形，形成横波，故横波又称为切变波。横波只能在固体介质中传播。

15③表面波（瑞利波）介质表面在受到交变应力作用时产生的沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示。16表面波只能在固体表面传播、表面波的能量随距表面深度的增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，其振幅降至最大振幅的0.37倍。因此，通常认为，表面波检测只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。17④板波在厚度与波长相当的弹性薄板中传播的波称作板波。广义上的板波也包括在圆棒、方管和管材中传播的波，但通常所说的都是指狭义上的板波即兰姆波。

18（2）按照持续时间的长短分①连续波②脉冲波图7-1连续波和脉冲波(a)连续波；(b)脉冲波19

波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面；而波前则是指某一时刻波动所到达的空间各点所联成的面；波线则是波的传播方向线。20(3)按波形分所谓波形，即波阵面的形状。根据波形的不同，通常把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。21

①平面波平面波的波阵面为相互平行的平面，其波源为一平面。平面波的波动方程为：22

②柱面波波阵面为同轴圆柱的波称为柱面波。柱面波的波源为一条线。其波动方程为：23

③球面波

波阵面为同心球面的波称为球面波，其波源为一点。球面波的波动方程为：243．超声场及其特征参数充满超声波的空间或超声振动所涉及的介质部分称为超声场。描述超声场的主要特征参数有声压、声强、声阻抗和波束指向性及半扩散角等。25(1)声压超声场中某一点在某瞬时所具有的压强p1与该点没有超声波存在时的静压压强p0之差称作该点的声压，记做p，单位为帕斯卡(Pa)。26(2)声强单位时间内垂直通过单位面积的声能称作声强，记做I，常用单位是W/cm2。27(3)声阻抗介质中某处的声压与该处质点的振动速度之比称作声阻抗，常用Z表示，单位为g/cm2•s或kg/cm2•s。声阻抗等于介质密度ρ与声速c的乘积，即Z=ρ•c。28(4)波束指向性及半扩散角超声波探头定向辐射超声波的性质称为波束指向性。波束指向性的优劣常用半扩散角γ来表示。半扩散角γ是指超声波定向辐射的半锥角即波束轴线与边缘之间的夹角。29（二）超声波的传播特性1.超声波的叠加、干涉和衍射（1）波的叠加原理（2）波的干涉（3）波的衍射

波在传播过程中遇到障碍物时能绕过其边缘，并继续前进的现象称为波的衍射或绕射。30超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射和折射，另一方面产生绕射。绕射本领的大小取决于障碍物尺寸Df和波长λ的相对大小，即：当Df

«λ时，几乎只绕射而无反射；当Df

»

λ时，几乎只反射而无绕射；当Df

≈λ时，则既反射又绕射。绕射使反射回波减弱，因此一般认为超声波检测所能探测到的最小缺陷尺为λ

／2。312.超声波的反射、衍射和波型转换（1）超声波垂直入射时的反射和透射声压反射率声压透射率Z声阻抗32声强反射率声强透射率超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。33几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况。①当Zl>>Z2时，如钢/空气界面。计算可得：

r≈－1；t≈0；R≈1；T≈0。34②当时Z1≈Z2时，r≈0；t≈1。如钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳素钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为1％。35

③超声波垂直入射到某界面时的声强反射率与从何种介质入射无关。

36(2)超声波倾斜入射时的反射、折射和波型转换①波型转换当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生与入射波同类型的反射波和折射波之外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型转换。37②反射、折射定律38对于纵波入射的固/固界面39对于横波入射的固/固界面40在钢中，纵波传播速度为横波速度的1.8倍，表面波传播速度为横波的0.9倍。41③临界角临界角描述了超声波倾斜入射到单一平界面时的某种极限传播特性，与界面两侧介质的声学特性有关。(a)第一临界角αⅠ

使纵波的折射角βL＝90°时的纵波入射角度αL的称为第一临界角，记为αⅠ。42(b)第二临界角αⅡ

使横波的折射角βS＝90°时的纵波入射角度αL的称为第二临界角，记为αⅡ。43(c)第三临界角αⅢ

使纵波的反射角γL＝90°时的横波入射角度αS的称为第三临界角，记为αⅢ

。44由上述临界角的物理意义可知：①当αL=αⅠ～αⅡ时，第二介质中只存在有折射横波而没有折射纵波，这就是常用横波探头的设计依据；②当αL>αⅡ时，第二介质中既无折射纵波又无折射横波，但在第二介质表面形成表面波，这就是常用表面波探头的设计依据。45超声波的传播速度超声波的传播速度与介质的弹性模量和介质的密度有关，对一定的介质，弹性横量和密度为常数，故波速为常数。不同的介质，有不同的波速。超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样。因此超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。46在无限大的固体介质中，纵波声速为：

在无限大的固体介质中，横波声速为：在无限大的固体介质中，表面波声速为：细长棒中纵波声速为：式中E——介质的弹性模显；

G——介质的剪切弹性模量；

ρ——介质的密度；

μ——介质的泊松比。47在钢中，纵波传播速度为横波速度的1.8倍，表面波传播速度为横波的0.9倍。48493．超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。(1)衰减的原因①扩散衰减②散射衰减③吸收衰减50(2)衰减的表示方法

用底波多次反射的次数来表示超声波的衰减。这种表示方法仅能粗略地比较声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的不同材料在同样的仪器灵敏度下，观察它们的底面反射波(底波)的次数，底波次数多的材料，说明声波在该材料中衰减少；底波次数少，则声波衰减比较严重。51(2)衰减的定量表示方法

对于平面波，其声压衰减规律为：52(2)衰减的定量表示方法

对于平面波，其声强衰减规律为：53二、超声波检测设备穿过固体的超声波可用来测量整个固体体积内的材料性能及其变化。超声波在材料中传播时若遇到不连续性(裂纹、夹杂、气孔、脱溶物、晶界、中间相边界、空洞及错位等)，就会发生能量衰减。通过测量这种能量衰减，可以测定出材料的不连续性。54超声检测的优点主要体现在以下几方面：①通用性：超声方法可检测的尺寸和几何形状范围很广，大多数无孔有弹性的材料(钢、铝、钛、镁和陶瓷等)都可以被穿透。②灵敏度和指向性：使用高频窄声束，可以检测和定位极小的不连续性；可以检出厚度几乎为零的盘状不连续性和裂纹；对厚的试件，定位深度可以精确到毫米；探头斜射法几乎可使波束指向试件的任何部位。③方便性：超声检测对于操作人员或周围人员无害，可以用于车间、实验室、仓库或野外现场检测。55超声波检测设备是从事超声检测的工具，通常指超声波检测仪和超声波探头。(一)超声波检测仪超声波检测仪的作用是产生电振荡并加于探头，使之发射超声波，同时，还将探头送回的电信号进行滤波、检波和放大等，并以一定的方式将检测结果显示出来，人们以此获得被检工件内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小和性质等方面的信息。561．超声波检测仪及其分类(1)按超声波的连续性分①脉冲波检测仪这种仪器通过向工件周期性地发射不连续且频率固定的超声波，根据超声波的传播时间及幅度来判断工件中缺陷的有无、位置、大小及性质等信息，这是目前使用最为广泛的一类超声波检测仪。②连续波检测仪③调频波检测仪57(2)按缺陷显示的方式分可将超声波检测仪分为A型、B型和C型等三种类型。①A型显示检测仪

A型显示是一种波形显示，检测仪示波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的位置，而由反射波的波高则可估计缺陷的性质和大小。58②B型显示检测仪

B型显示是一种图像显示，检测仪示波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的分布及缺陷的深度。59③C型显示检测仪

C型显示也是一种图像显示，检测仪示波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，示波屏上便显示出工件内部缺陷的平面图像(顶视图)，但不能显示缺陷的深度。602．A型显示脉冲反射式超声波检测仪

(1)仪器构造原理

A型显示脉冲反射式检测仪主要由同步电路、时基电路(扫描电路)、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路等几部分组成。61(2)脉冲反射式超声波检测仪的性能特点①在被检工件的一个面上，用单探头脉冲反射法即可检测，这对于诸如容器、管道等一些很难在双面放置探头进行检测的场合，更显示出明显的优越性；②可以准确地确定缺陷的深度；③灵敏度远高于其他方法；④可以同时探测到不同深度的多个缺陷，分别对它们进行定位、定量和定性；⑤适用范围广，用一台检测仪可进行纵波、横波、表面波和板波检测，而且适用于探测很多种工件，不仅可以检测，而且还可用于测厚、测声速和测量衰减等。62

(二)超声波探头探头的功能就是将电能转换为超声能(发射探头)和将超声能转换为电能(接收探头)。超声波检测用的探头多为压电型，其作用原理为压电晶体在高频电振荡的激励下产生高频机械振动，并发射超声波(发射探头)；或在超声波的作用下产生机械变形，并因此产生电荷(接收探头)。631．探头的种类

(1)按波型分将超声波探头分为纵波探头、横波探头、板波(兰姆波)探头和表面波探头等四种类型。64(2)按入射声束方向分：

可分为直探头和斜探头两大类。65(3)按耦合方式分：

直接接触式探头(探头通过薄层耦合剂与被探工件表面直接接触)和液浸式探头(探头与被探工件表面之间有一定厚度的液层)。66(4)按晶片数目分：

单晶片探头、双晶片探头和多晶片探头等几种。67(5)按声束形状分：可分为聚焦探头和非聚焦探头两大类。68(6)按频带分：可分为宽频带探头和窄频带探头。69(7)按使用环境分：

常规探头(通用目的)和特殊用途探头(如机械扫描切换探头、电子扫描阵列探头、高温探头、瓷瓶检测专用扁平探头等)。702．探头的结构超声波检测中常用的探头主要有直探头、斜探头、表面波探头、双晶片探头、水浸探头和聚焦探头等71(1)直探头直探头用来发射和接收纵波；其典型结构如图所示。72(2)斜探头利用透声楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头。通常所说的斜探头是指横波斜探头，其典型结构如图所示。73横波斜探头的标称方式有如下三种：①以（纵波）入射角标称，常用的入射角有30°、45°、50°和55°；②以钢中的横波折射角标称，常用的折射角有40°、45°、50°、60°、70°等；③以钢中折射角的正切值(K值)标称，常用的K值探头有K1、K1.5、K2、K2.5和K3。74(3)表面波探头表面波探头是斜探头的一个特例。当斜探头入射角等于第二临界角时，由波型转换得到沿被测材料表面传播的表面波，这种斜探头称为表面波探头。75(4)双晶片探头双晶片探头又称联合双探头或分割式TR探头。其典型结构如图所示。763耦合剂在超声波检测中，耦合剂的作用主要是排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入工件，以便检测。77三、超声波检测方法(一)超声波检测方法概述1．超声波检测方法的分类按检测原理不同：脉冲反射法、穿透法和共振法等；按超声波的波形不同：纵波法、横波法、表面波法和板波法等；按探头的数目的多少：单探头法、双探头法和多探头法等；按探头与试件的耦合方式的不同，可分为直接接触法和液浸法两大类等。78超声波检测按原理的分类情况(1)脉冲反射法超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检试件内，根据反射波束检测试件内有无缺陷的方法称为脉冲反射法。根据判断缺陷情况的回波性质的不同，脉冲反射法又可进一步分为缺陷回波法、底面回波高度法和底面多次回波法等三种。79①缺陷回波法缺陷回波法是最基本的脉冲反射法。80②底面回波高度法当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的；如果试件中有缺陷，则底面回波高度会下降甚至消失。81③底面多次回波法底面多次回波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件检测。82(2)穿透法依据超声波(连续波或脉冲波)穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法。83(3)共振法根据试件的共振特性来判断缺陷情况的方法称为共振法。原理：若频率可调的连续超声波在被检试件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，则由于入射波和反射波的相位相同而引起共振，因而仪器可显示出共振频率点。试件的厚度由下式计算而得：84852.探测条件的选择探测条件的选择一般是指仪器、探头和扫查方式等方面的选择。86(1)检测仪的选择①定位要求高时，应选择水平线性好的仪器；②定量要求高时，应选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器；③大型零件的检测应选择灵敏度余量高、信噪比高和功率大的仪器；④为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力高的仪器；⑤室外现场检测，应选择重量轻、示波屏亮度好、抗干扰能力强的便携式仪器。87(2)探头的选择①探头型式的选择

一般应根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。

直探头只能发射和接收纵波，波束轴线垂直于探测面，故主要用于探测与探测面平行的缺陷。

斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷。

表面波探头主要用于探测工件表面的缺陷，双晶探头用于探测工件近表面缺陷，聚焦探头用于液浸法探测管材或板材。88②探头频率的选择由于波的绕射而使超声波检测的最小缺陷尺寸约为λ/2，因此，提高频率有利于发现小缺陷；频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷；频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现并定位缺陷。频率高，波长短，近场长度大，对检测不利；频率提高，衰减急剧增加、对检测不利。89③探头晶片尺寸的选择晶片大小对声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大影响。实际检测中，检测面积范围大的工件时，为了提高检测效率，宜选用大晶片探头。检测厚度大的工件时，为了有效地发现远距离缺陷，宜选