无损检测技术.ppt

1、1,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。,2,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,3,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。,4,一、铸件中常见的缺陷现象,(1) 气孔 (2) 缩孔

2、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,5,二、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,6,三、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,7,3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

3、 (4) 纵向裂纹,8,四、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,9,五、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,10,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。,11,工厂超声波

4、探伤仪,12,(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(16Hz20kHz) 而得名超声波。无损检测用的超声波频率范 围为0.225MHz，其中最常用的频段为0.5 10MHz。,13,超声波的特性： (1) 指向性好 (2) 穿透能力强 (3) 能量高,14,2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。,15, 纵波 介质质点的振动方向与波的传播方向相 同的波

5、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。,16, 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。,17, 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。,18,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

6、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。,19, 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。,20,（2）按照持续时间的长短分 连续波 脉冲波,图7-1 连续波和脉冲波 (a)连续波； (b)脉冲波,21,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。,22,(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

7、波。,23,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：,24,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：,25,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：,26,3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。,27,(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)。,28,(2) 声强 单位时间内

8、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。,29,(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/cm2s或kg/cm2s。声阻抗等于介质密度与声速c的乘积，即Z=c。,30,(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 来表示。半扩散角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。,31,（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

9、衍射或 绕射。,32,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 的相对大小，即： 当Df 时，几乎只绕射而无反射； 当Df 时，几乎只反射而无绕射； 当Df 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 2。,33,2.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,34,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。,35,几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况。 当ZlZ

10、2时，如钢/空气界面。计算可得： r1；t0；R1；T0。,36,当时Z1Z2时，r0；t1。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。,37,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。,38,(2)超声波倾斜入射时的反射、折射和波型转换 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。,39,反射、折射定律,40,对于纵波入射的固/固界面,41,对于横波入射的固/固界面,42,在钢中，纵波传播速度为横波速度的1.8 倍

11、，表面波传播速度为横波的0.9倍。,43,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 使纵波的折射角L90时 的纵波入射角度L的称为第一临 界角，记为。,44,(b)第二临界角 使横波的折射角S90时 的纵波入射角度L的称为第二临 界角，记为。,45,(c)第三临界角 使纵波的反射角L90时 的横波入射角度S的称为第三 临界角，记为 。,46,由上述临界角的物理意义可知： 当L=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； 当L时，第二介质中既无折射纵波 又无折射横波，但在第二介质

12、表面形成表面 波，这就是常用表面波探头的设计依据。,47,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。,48,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； 介质的密度； 介质的泊松比。,49,在钢中，纵波传播速度为横波速度的1.8 倍，表面

13、波传播速度为横波的0.9倍。,50,51,3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 扩散衰减 散射衰减 吸收衰减,52,(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。,53,(2)衰减的定量表示方法 对于平面波，其声压衰减规律为：,54,(2)衰减的定量表示方法 对于平面波，

14、其声强衰减规律为：,55,二、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。,56,超声检测的优点主要体现在以下几方面： 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。 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

15、束指向试件的任何部位。 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。,57,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。,58,1超声波检测仪及其分类 (1)按超声波的连续性分 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

16、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。 连续波检测仪 调频波检测仪,59,(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。 A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。,60,B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

17、度。,61, C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。,62,2A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。,63,(2)主要性能指标 水平线性 也称时基线性或扫描线性，是表征检 测仪水平扫描线扫描速度的均匀程度，亦即扫描线上 显示的反射波距离与反射体距离成正比的程度的性能

18、 指标。水平线性的好坏影响对缺陷的定位。 垂直线性 也称放大线性，它是描述检测仪示 波屏上反射波高度与接收信号电压成正比关系的程 度。垂直线性影响对缺陷的定量分析。 动态范围 是检测仪示波屏上反射波高度从满 幅降至消失时仪器衰减器的变化范围。动态范围大， 对小缺陷的检出能力强。,64,(3)脉冲反射式超声波检测仪的性能特点 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； 可以准确地确定缺陷的深度； 灵敏度远高于其他方法； 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； 适用范围广，用

19、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。,65,(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)。,66,1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。,67,(2)按入射声束方向分： 可分为直探头和斜探头两大类。

20、,68,(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)。,69,(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。,70,(5)按声束形状分： 可分为聚焦探头和非聚焦探头两大类。,71,(6)按频带分： 可分为宽频带探头和窄频带探头。,72,(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)。,73,2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

21、,74,(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。,75,(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。,76,横波斜探头的标称方式有如下三种： 以（纵波）入射角标称，常用的入射角有30、45、50和55； 以钢中的横波折射角标称，常用的折射角有40、45、50、60、70等； 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。,77,(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，

22、这种斜探头称为表面波探头。,78,(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。,79,3探头与仪器的组合性能 探头与仪器的组合性能主要有信噪比、灵敏度余 量、始波宽度、盲区大小和分辨力等。 (1)信噪比 是指界面反射波幅与最大杂波幅度之比，要求愈 大愈好。 (2)灵敏度余量 灵敏度余量也称综合灵敏度或组合灵敏度。它是 指探测一定深度和尺寸的反射体时，当其反射波波 幅被调节到检测仪示波屏指定高度时，检测仪所剩 余的放大能力，以此时的衰减器读数(dB)表示。,80,(3)始波宽度 始波宽度也称始脉冲宽度，它是指发射脉冲的持 续时间，以一定灵敏度条件下示波屏水平

23、“0”刻度至 始波后沿与垂直线20线交点间的水平距离所相当 的超声波传播距离表示。 (4)盲区 盲区是探测面附近不能探测缺陷的区域，以探测 面到所能探出缺陷的最小距离表示，要求愈小愈好。 (5)分辨力 分辨力是指在声束作用范围内，在检测仪示波屏上 能够把两个相邻缺陷作为两个反射信号区别开来的能 力，分为纵向分辨力和横向分辨力,81,(三)试块 按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件称为试块。 在无损检测技术中，常常采用与已知量相比较的办法来确定被检物的状况。超声检测中是以试块作为比较的依据。试块上有各种己知的特征，例如它具有特定的尺寸，以造成固定的声学特性；或者它带有某一尺寸的平底

24、孔、凹槽、狭缝等。由于超声波探伤仪面板上各旋钮的位置往往不能定量地记录探伤灵敏度及其它有关的测试条件，这样就给定量测定以及以后的验证、复查带来困难，所以用试块作为参考依据就成了超声波探伤技术的一个特点。,82,1.试块的用途 (1)确定合适的检测方法 有时在探伤之 前，我们就预先知道或大概地知道缺陷可能 发生在什么部位；也有时仅仅需要探测某一 部位有无缺陷。我们可以应用在某个部位带 有某种人工缺陷（平底孔、凹槽等)的试块来 摸索合适的探伤方法。一般来说，在这样的 试块上摸索到的规律，也适用于与试块材 质、尺寸相同的工件。,83,(2)确定和校验检测灵敏度 大多数探伤仪 都有较大的灵敏度调整范围

25、，以便能够探测 不同种类、不同厚度的工件。在每次探伤时 使用的灵敏度各不相同。为了确定探伤时所 采用的灵敏度，就需要使用试块，这种试块 带有各种人工缺陷。用人工缺陷波波高表示 探伤灵敏度，这是最常用的一种定量地表示 灵敏度的方法。,84,(3)测试和校验仪器和探头的性能； 可以用电子仪器来测试超声波探伤仪的性 能，但是对于使用者来说，往往不具备这种 测试手段。因此，为了方便起见，人们常采 用试块来校验仪器和测试探头性能。,85,(4)调节探测范围，确定缺陷位置； (5)评价缺陷大小，对被探测工件评级和判 废； (6)测量材质衰减和确定耦合补偿等。,86,2.试块的种类 超声波检测中使用的试块通

26、常分为标准 试块和对比试块（参考试块）两大类。 标准试块主要用于测试和校验检测仪和探 头的性能，也可用用于调整探测范围和确定 检测灵敏度。 参考试块主要用于调整探测范围、确定检 测灵敏度、评价缺陷大小和对工件进行评级 判废等。,87,88,89,(四)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。,90,三、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

27、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。,91,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。,92,缺陷回波法 缺陷回波法是最基本的脉冲反射法。,93,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。,94,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

28、底面平行的试件检测。,95,(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。,96,(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：,97,98,2.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。,99,(1)检测仪的选择 定位要求高时，应选择水平线性好的仪器； 定量要求高时，应选择垂直线性好、衰减器 精度高的仪器；

29、 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； 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； 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。,100,(2)探头的选择 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。,

30、101,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/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。,102,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，宜选用大晶片探头。 检测小型工件时，为了提

31、高缺陷定位、定量精度， 宜选用小晶片探头。检测表面不太平整、曲率较大 的工件时，为了减少耦合损失，宜选用小晶片探 头。,103,(二)超声波检测的定位、定量与定性,1.超声波检测的定位 (1)纵波直探头检测时的缺陷定位 假定仪器已按1:n调节纵波扫描速度，并由 示波屏可知缺陷波前沿对应的水平刻度值为 f ，则缺陷至探头的垂直距离为： xinf,104,105,106,横波斜探头检测,107,108,109,(2)按声程调节扫描速度的横波斜探头检测时的缺陷定位如图7-18(a)所示，一次波检测时，缺陷在工件中的水平距离lf 和垂直距离df 分别为：,110,如图7-18(b)所示，二次波检测时，

32、缺陷在工件中的水平距离lf和垂直距离df分别为：,111,课堂作业 用横波斜探头超声波仪器检测厚45mm的 工件，波束在工件中的折射角60，按2:3调 节仪器的扫描速度，显示屏中缺陷波前沿的 水平刻度值140mm，求缺陷在工件中的水平 距离和垂直距离。,112,2超声波检测的定量 在超声波检测中，测定缺陷的大小和数量 简称定量。,113,(1)当量法 当缺陷的尺寸小于声束截面时，一般采用 当量法来确定缺陷的大小，由此而得的缺陷尺 寸称为当量尺寸。,114,在实际超声波探伤中，由于自然缺陷的形状是各 种各样的，缺陷性质又不尽相同，所以目前还很难 确定缺陷的真实大小。为此，人们多采用“当量法” 来

33、给缺陷定量。所谓“当量法”就是与一定规则形状 的人工缺陷相比较的方法，即当所发现缺陷的波高 与同样探测条件下一个人工缺陷的波高相等时，该 人工缺陷的尺寸，即称为所发现缺陷的当量尺寸。,115,常用的当量法有当量试块比较法、当量计 算法和当量AVG曲线法。,116,AVG曲线法是描述反射体至波源的距离、反 射信号的幅度和反射面积的当量大小三者之 间相互关系的曲线，又称为距离波幅当 量曲线。AVG是德文距离(Abstand)、增益 (Verstarkung)和大小(Gre)三者的字头，英 文为DGS曲线。,117,118,119,(3，40),120,121,122,123,124,(2)底波高度

34、法 其基本原理为：当工件中存在缺陷时，由 于缺陷反射使工件底波下降。缺陷越大，缺 陷波越高，底波就越低，缺陷波与底波之比 就越大。,125,(3)测长法 当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一般 采用测长法来确定缺陷的长度。 测长法是根据缺陷波高与探头移动的距离 来确定缺陷尺寸的。 根据测定缺陷长度时的灵敏度基准不同， 可将测长法分为相对灵敏度法和绝对灵敏度 法两种。,126,127,128,3超声波检测的定性 不同性质的缺陷对工件的危害程度不同， 例如裂纹就比气孔、夹渣的危害大得多，因 此缺陷定性对超声波检测来说十分重要。 目前的A型反射超声波检测仪只能提供缺 陷回波的时间和幅度两方面的信息。,

35、129,(1)根据缺陷的特征分析缺陷的性质 缺陷特征是指缺陷的形状、大小和密集程度。 对于裂纹、夹层、拆叠等平面形缺陷，在不同的 方向上探测，其缺陷回波的高度显著不同，当垂直 于缺陷方向探测时，缺陷回波高，而当平行于缺陷 方向探测时，其缺陷回波低、其至无缺陷回波。 对于气孔、小夹渣等点状缺陷，在不同方向探 测，缺陷回波无明显变化。 对于白点、疏松、密集气孔等密集形缺陷，缺陷 波密集且互相彼连，在不同的方向探测，缺陷回波 无明显变化。,130,131,132,(2)根据缺陷波形分析缺陷的性质 缺陷波形分为静态波形和动态波形两大类。 静态波形是指探头不动时缺陷波的高度、形 状和密集程度，而动态波形

36、是指探头在探测 面上移动过程中，缺陷波的变化情况。,133,静态波形,134,动态波形,135,(3)根据底波的特性分析缺陷的性质 工件内部存在缺陷时，超声波被缺陷反射 使射达底面的声能减少，底波高度降低甚至消 失。不同性质的缺陷，反射面不同，底波高度 也不一样，因此，在某些情况下可以利用底波 情况来分析估计缺陷的性质。,136,137,138,四、超声波检测的应用实例,139,140,1小型压力容器壳体的超声波检测,141,2非金属材料的超声波检测,142,所谓射线，就是指X射线、射线、射线、 射线、电子射线和中子射线等。其中，X射线、 射线和中子射线因易于穿透物质而在产品质量检 测中获得了

37、应用。,第三节 射线检测射线检测的简单原理,143,作用原理： 射线在穿过物质的过程中，由于受到物质的散射 和吸收作用而使其强度降低，强度降低的程度取决 于物体材料的种类、射线种类及其穿透距离。这 样，当把强度均匀的射线照射到物体(如平板)上一 个侧面，通过在物体的另一侧检测射线在穿过物体 后的强度(变化)，就可检测出物体表面或内部的缺 陷，包括缺陷的种类、大小和分布状况，这就是射 线检测的简单原理。,144,射线检测的主要优点： 1)几乎适用于所有材料，而且对试件形状 及其表面粗糙度均无持别要求，对厚度为 0.5mm的钢板及树叶、邮票、油画及纸币 等，均可检查其内部质量。 2)能直观地显示缺

38、陷影像，便于对缺陷进 行定性、定量与定位分析。 3)射线底片能长期存档备查，便于分析事 故原因。 4)对被测物体无破坏，无污染。,145,射线检测诊断技术的局限性在于： 1)射线在穿透物质的过程中被吸收和散射 而衰减，使得用它检查的厚度受到限制； 2)难于发现垂直于射线方向的薄层缺陷； 3)检测费用比较高； 4)射线对人体有害，需作特殊防护。,146,147,X射线是由人为的高速电子流撞击金属靶 产生的。,148,射线则是某些放射性物质自发产生的， 如钴、铀、镭等。,149,射线检测应用注意事项,首先应清醒地认识到射线辐射对人体健康(包括遗 传因素)的损害作用。X射线在切断电源后就不再发 生，

39、而同位素射线(如射线)是源源不断地发生射 线的。此外，近应特别注意，射线不只是笔直地向 前辐射，它还可通过被检物、周围的墙壁、地板以 及天花板等障碍物进行反射与透射传播。 其次还应注意，X射线装置是在几万乃至几十万 伏高电压下工作的，通常虽有充分的绝缘，但也必 须注意防止意外的高压危险。,150,第四节 磁粉检测,磁粉检测是一种应用得比较早的无损检测 方法，它具有设备简单、操作方便、速度 快、观察缺陷直观和有较高的检测灵敏度等 优点，在工业生产中应用极为普遍。这种方 法利用导磁金属在磁场中(或将其通以电流以 产生磁场)被磁化，并通过显示介质来检测缺 陷特性。因此，磁粉检测法只适用于检测铁 磁性

40、材料及其合金，如铁、钴、镍和它们的 合金等。,151,磁粉检测的简单原理 把一根中间有横向裂纹的强磁性材料(钢铁等)试 件进行磁化处理后，可以认为磁化的材料是许多小 磁铁的集合体，在没有缺陷的连续部分，由于小磁 铁的N、S磁极互相抵消，而不呈现出磁极，而在裂 纹等缺陷处，由于磁性的不连续而呈现磁极。在缺 陷附近的磁力线绕过空间出现在外面，此即缺陷漏 磁。缺陷附近所产生的称作为缺陷的漏磁场的磁 场，其强度取决于缺陷的尺寸、位置及试件的磁化 强度等。,152,当把磁粉散落在试件上时，在裂纹处就会吸附磁 粉，磁粉检测就是利用磁化后的试件材料在缺陷处 会吸附磁粉，以此来显示缺陷存在的一种检测方 法。,

41、153,磁粉检测的基本步骤,预处理 磁化：当缺陷方向与磁力线方向垂直时，缺陷显示最 清晰。其夹角小于45时，灵敏度明显降低。方向平 行则缺陷有可能不显示。因此要尽可能选择有利于发 现缺陷的方向磁化。对于形状复杂的工件，住往需要 综合采用各种磁化方法。 施加磁粉 观察、记录 后处理,154,155,156,157,三、磁粉检测的特点与适用范围,特别适宜对钢铁等强磁性材料的表面缺 陷检测； 对于在表面没有开口但深度很浅的裂纹 也可以探测出来； 对于奥氏体不锈钢那样的非磁性材料是 不适用的； 能知道缺陷的位置和表面的长度，但不 能知道缺陷的深度，对内部缺陷的检测还有 困难。,158,磁记忆效应检测诊

42、断技术 1997年在美国旧金山举行的第五十届国际焊接学 术会议上，俄罗斯科学家提出金属应力集中区一金 属微观变化一磁记忆效应相关学说，并形成一套全 新的金属诊断技术金属磁记忆(MMM)技术，该 理论立即得到国际社会的承认。这一被誉为21世纪 无损检测新技术的检测方法，是集常规无损检测、 断裂力学和金相学诸多潜在功能于一身的崭新诊断 技术，已迅速在许多国家和地区的企业中得到广泛 推广和应用。,159,在现代工业中，大量的铁磁性金属构件， 特别是锅炉压力容器、管道、桥梁、铁路、 汽轮机叶片、转子和重要焊接部件等，随着 服役时间的延长，不可避免地存在着由于应 力集中和缺陷扩展而引发事故的危险性。金

43、属磁记忆检测方法便是迄今为止对这些部件 进行早期诊断的唯一可行的力法。,160,磁记忆效应 机械零部件和金属构件发生损坏的一个重要原 因，是各种微观和宏观机械应力集中。在零部件的 应力集中区域，腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为 激烈。机械应力与铁磁材料的自磁化现象和残滋状 况有直接的联系，在地磁作用的条件下，用铁磁材 料制成的机械零件的缺陷处会产生磁导率减小，工 件表面的漏磁场增大的现象，铁磁性材料的这一特 性称为磁机械效应。磁机械效应的存在使铁磁性金 属工件的表面磁场增强，同时，这一增强了的磁场 “记亿”着部件的缺陷和应力集中的位置，这就是磁 记忆效应。,161,检测原理 工程部件由于疲劳和蠕

44、变而产生的裂纹会 在缺陷处出现应力集中，由于铁磁性金属部 件存在着磁机械效应，故其表面上的磁场分 布与部件应力载荷有一定的对应关系，因此 可通过检测部件表面的磁场分布状况间接地 对部件缺陷和(或)应力集中位置进行诊断，这 就是磁记忆效应检测的基本原理。,162,实验研究结果表明，铁磁性部件缺陷或应 力集中区域磁场的切向分量Hp(x)具有最大 值，法向分量Hp(y)改变符号且具有零值。故 在实际应用中，可通过检测法向分量Hp(y)来 完成对部件上是否存在缺陷(或应力集中区域) 的检测。,163,164,实验研究证明了磁记忆法具有重要的实际应用价 值。它能够解决常规无损检测法无法解决的金属早 期诊

45、断问题，为金属构件失效及寿命评估提供有力 的科学依据。磁记忆法能够更好地满足当今设备监 测从定期检修向视情检修发展，以最小的代价获得 最好的经济和社会效益的需要。当然也必须看到， 磁记忆法仅能确定缺陷的位置，目前尚不能对缺陷 的形状、大小和性质进行定量、定性的具体分析， 因此，应用中最好与常规检测方法相结合，如磁记 忆法用于大量工件的普查工作，然后根据普查情况 用其他方法对可疑工件或部位作进一步检测。,165,第五节 渗透检测,一、渗透检测的基本原理 渗透检测是利用渗透液的润湿作用和毛细现象而 在被检材料和工件表面上浸涂某些渗透力比较强的 渗透液，将液体渗入孔隙中，然后用水和清洗剂清 洗材料和

46、工件表面的剩余渗透液，最后再用显示材 料施加在被检工件表面，经毛细管作用、将孔隙中 的渗透液吸出来并加以显示。,166,渗透检测由渗透、清洗、显像和观察四个 基本步骤组成。,167,渗透检测的特点： 渗透法的最小检出尺寸即灵敏度取决于检测剂 的性能、检测方法、检测操作和试件表面粗糙度等 因素、 一般约为深20m、宽1m；此外，在荧光 渗透检测时，若使用荧光辉度高的渗透液，在检测 的同时在试件上加交变应力，可进一步提高检测的 灵敏度； 检测效率高，对于形状复杂的试件或在试件上 同时存在有多个缺陷时，也只需一次检测操作即可 完成；,168,适用范围广，只要是表面缺陷，则检测 一般不受试件材料的种类

47、及其外形轮廓的限 制； 设备简单，不需用大型设备； 检测结果受试件表面粗糙度的影响，同 时还受检测操作人员技术水平的影响； 对多孔性材料的检测仍很困难。,169,第六节 涡流检测,涡流无损检测诊断是以电磁感应为基础的无 损检测技术，只适用于导电材料，因此，主 要应用于金属材料和少数非金属材料(如石 墨、碳纤维复合材料等)的无损检测。,170,该技术从1879年休斯(Hughes)利用感生电流的方法 对不同合属和合金进行的判断实验，损示了应用涡 流对导电材料进行检测的可能件，到1950年福斯特 (Forster)研制出了以阻抗分析法来补偿干扰因素的 仪器，开创了现代涡流无损检测诊断方法和没备的

48、研制工作。涡流无损检测已经历了100多年历史，特 别是20世纪70年代以来，由于电子技术，尤其是计 算机技术和信息理论的飞速发展，给涡流无损检测 技术带来无限生机。以较快的发展速度逐步发展成 为当今无损检测技术中的一个重要组成部分。,171,原理： 当把一个通有交流电的线圈靠近某一导体时，由 于电磁耦合作用，将会在导体中发生电涡流。此电 涡流又反过来作用于原线圈而使其电磁特性(等效阻 抗、等效电感和品质因素)发生改变，其变化情况与 导体的种类、形状以及材质均匀度等因素有关，同 时还与线圈与导体之间的相对距离和线圈本身的特 性有关。当固定后两者不变时，则线圈电磁特性的 变化就反应了导体性质的变化

49、。这样，通过检测线 圈的电磁特性的变化，即可获得关于被检试件的材 质均匀性以及缺陷的种类、形状和大小等方面的信 息。,172,电涡流检测具有如下的特征： 检测结果可以直接以电信号输出，故可用于自动 化检测； 由于实行非接触式检测，所以检测速度很快； 适用范围较广，除可用于检测缺陷外，还可用于 检测材质的变化等； 对形状复杂的试件检测有困难； 对表面下较深部位的缺陷检测困难； 除检测项目外，试件材料的其他因素一般也会引 起输出的变化，成为干扰信号； 难以直接从检测所得的显示信号来判别缺陷的种 类。,173,电涡流方法适用于如下项目的检测： 缺陷检测 检测试件表面或近表面的内部 缺陷； 材质检查

50、检测金属的种类、成分、热处 理状态等变化； 尺寸检测 检测试件的尺寸、涂膜厚 度、腐蚀状况和变形等； 形状检测 检测试件形状的变化情况。,174,175,第七节 声发射检测,声发射技术是一种评价材料或构件损伤的 动态无损检测诊断技术。它是通过对声发射 信号的处理和分析来评价缺陷的发生和发展 规律，并确定缺陷位置。,176,声发射技术已经在压力容器的安全性检测与评 价、焊接过程的监控和焊缝焊后的完整性检测、核 反应堆的安全性监测以及断裂力学研究等诸多领域 都取得了重要进展，部分研究已进入工业实用化阶 段，成为无损检测技术体系中的一个极其重要的组 成部分。,177,所谓声发射，是指材料或结构因受外

51、力或 内力作用而产生变形或断裂时，以弹性波的 形式释放出应变能的现象。因此，声发射也 称为应力波发射。各种材料的声发射频率范 围很宽，从次声波到超声波。,178,声发射检测技术： 大多数金属材料的塑性变形和断裂的原始 声发射信号一般都很微弱，人耳不能直接听 见，需借助灵敏的电子仪器才能检测出来。 这种借助电子仪器对声发射信号进行接收、 处理、分析显示并以此对声发射源进行定 位、定性和定量分析的一系列技术，统称为 声发射检测技术。,179,声发射AE(Acoustic Emission)。 声发射从字面上来看是声音放出的意思， 为材料变形或者破坏时积蓄起来的应变能所 释放的声音的传播现象。但近来

52、其外延已进 一步扩大，比如说泄漏声音、轴承的滑动声 音、木材干燥时产生的声音、甜瓜茎中的流 体的声音等也都被称为AE，这些广义解释的 AE情形较多，而且研究成果也非常多。,180,AE现象在大自然里有很多，尤其是声波频 率域的AE。比如玻璃窗破裂时的声音、铅笔 芯折断时的声音、方便筷掰开时的声音等等 都是AE现象。,181,最被人熟知的AE应该说还是地震，地震 是地球内的岩石破坏造成的“声音”的放出， 因为破坏面大，且震源远，波动的颇率为数 赫兹到数十赫兹。,182,据后汉书记载，张衡在公元132年发明了 可以报知地球中哪个方向发生了AE(地震)的 地动仪。,183,184,地下深部具有很大的

53、地压，如果在地下掘 进新坑道或采煤，岩体中的平衡就会被破 坏，严重时就会发生岩爆、瓦斯突出。在突 然爆发之前，有“山鸣”、“煤鸣”等前兆，这 也是AE。,185,有一次，为了听“锡鸣”这种声音，到隔壁 的研究室要了锡粒，将其熔化，作成薄板 状，试着弯曲一下，果然发出“啾啾”的声 音。将“锡鸣”想象成“铃鸣”，本以为声音会 稍好听一些，但结果并非如此。,186,187,超声波探伤法是利用与AE相同的超声波来探索物 体内部缺陷的技术，超声波探伤法与雷达一样从发 射超声波信号的信号发生器发射脉冲，信号接收器 接收从缺陷处反射回来的发射波，来确认有无缺 陷，信号发生器与信号接收器是相同的。比如说即 使

54、有缺陷，如果超声波不接触到它，这种缺陷也检 查不出来。因此，信号发生器和信号接收器必须对 要检查的部分进行全面扫描，并且，能够发现缺陷 的大小受超声波频率的影响。小的缺陷需要高频 率，但是由于高频率信号的振幅衰减大，因此受到 限制。但能积极地发现缺陷是其优点。,188,而用AE法来发现缺陷时，没有必要给其施加能 量，只要设置几个AE变换器，等待缺陷发出的波即 可。需要的只是设置AE变换器作业，即使从AE变 换器到缺陷之间也有距离，只要波到达了就有效。 根据AE波到达的时间差，可以确定AE发生源的位 置。而超声波探伤法不同，即使有缺陷，如果不施 加外力，就不产生回波，不能发现缺陷。 AE法最 优

55、越的一点是，如果不发生AE，也就表示既存的缺 陷不扩展，可以说很安全。超声波探伤法、放射 线、磁粉探伤、渗透法等无损检测法都必须停止作 业中的设备再进行检查，这是他们最大的缺点。而 AE法不停止作业就能发现缺陷，也就是说，AE法 有能够在线监测的优点。,189,自1964年美国对北极星导弹舱第一次成功 地进行了声发射检测以来，声发射技术受到 了极大的重视。40多年来发展很快，美国、 日本和欧洲一些国家用声发射在压力容器水 压试验或定期检修等方面，已达到了工业实 用阶段。在核容器与化工容器运行中的安全 性监测、复合材料压力容器检测、焊接过程 研究等方面都取得了很大成就。,190,我国于20世纪7

56、0年代开始研究和应用声发 射，先后研制和开发了多种型号的声发射检 测仪器，并在压力容器监测、疲劳裂纹扩 展、焊接过程及断裂力学等方面得到广泛应 用。对大型油罐的在线测试，声发射技术已 成为唯一可行的检测诊断手段。,191,(一)声发射的产生和传播 1声发射的产生 工程材料中有许多机构都可能成为声发射 源，其中，与无损检测有关的声发射源则主 要有塑性变形和裂纹的形成与扩展。,192,塑性变形主要是通过滑移和孪生两种方式 进行的，其中滑移是最主要的方式，它的元 过程则是位错的运动。它们均会产生声发 射，弯曲金属锡片时出现的“锡鸣”，就是孪 生变形过程产生声发射现象的一个实例。,193,194,19

57、5,孪生变形是晶体塑性变形的一种基本方 式，它与滑移变形不同，所谓孪生是两个位 向不同的晶体以一定的位向关系通过某一晶 面结合在一起的总体。,196,在实际的材料中，确实已检测到与位错运动有关 的声发射，为此，提出了几个产生声发射的位错模 型。每个模型都得到了部分实验结果的支持。一种 模型认为，位错产生声发射与塞积位错在反向应力 作用下使位错源开动和关闭有关。自由位错线的长 度和位错滑动的距离有一个低限，低于此值时将不 能检测到声发射。这个下限值取决于检测系统对应 变的灵敏度，即系统能检测到的试样表面的最小位 移。,197,另一种模型则认为，声发射率与晶体内可动位错 的密度变化有关，声发射计数

58、率与可动位错密度的 关系为：,198,许多金属材料在拉伸变形时，都可看到在屈服 点附近出现声发射计数率的高峰。在进入加工硬化 阶段后，声发射计数率急剧下降，其典型结果如图 728所示。图中的虚线是根据上式计算出来的塑 性变形的声发射记数率曲线，可见其与实际声发射 计数率曲线符合得相当好。由图可以看出，在屈 服点附近出现的声发射计数率高峰，与可动位错 数量的增加关系密切。加工硬化阶段声发射计数率 降低，是由于位错的交割和钉轧使可动位错数目减 少所致。,199,200,对于无损检测来说，裂纹的形成和扩展 则是一种更为重要的声发射源。裂纹的形成 和扩展与材料的塑性变形有关，一旦裂纹形 成，材料局部区

59、域的应力集中得到卸载，声 发射便产生。,201,材料的断裂过程大致可分为裂纹成核、裂 纹扩展和最终断裂三个阶段，这三个阶段都 可成为强烈的声发射源。关于裂纹的形成已 提出了不少模型，如位错塞积理论、位错反 应理论和位错消毁理论等，它们都得到了部 分实验结果的支持。,202,理论计算表明，如果在裂纹形成过程中， 多余的能量全部以弹性应力波的形式释放出 来，则裂纹形成所产生的声发射比单个位错 移动产生的声发射至少要大两个数量级。,203,在微观裂纹扩展成为宏观裂纹之前，需要 经过裂纹的缓慢扩展阶段。理论计算指出， 裂纹扩展所需的能量为裂纹形成所需能量的 1001000倍。,204,裂纹扩展是间断进行的，大多数金属都具 有一定的塑性，裂纹每向前扩展一步，都将 积蓄的能量释放出来，使裂纹尖端区域卸 载。这样，裂纹扩展产生的声发射很可能比 裂纹形成产生的声发射还大得多。当裂纹扩 展到接近临界