无损检测

第1章无损检测概论1.1材料无损检测的意义1.1.1材料无损检测的概念•材料无损检测，即指不损伤产品又能发现缺陷的检测方法或技术，亦称为无损探伤，属于非破坏性检测方法的范畴。•它与某些破坏性检测方法，如力学性能检验、化学分析试验、金相检验等具有很强的互补性。尤其适合成品检验和在役运行产品的检验。•无损检测的英文缩写为：NDT（non－destructivetest）。1.1.2对实际工程材料的辨证认识材料力学对于材料的认识是基于“均匀性、连续性和小变形假设”来讨论问题的。而实际工程材料及产品在制造过程中，往往因冶金、结构、工艺因素的复杂性及操作人员技术水平的差异，即使按照同一工艺规程操作，也往往会产生各种各样的工艺缺陷。总之，实际工程材料和构件并不那麽理想，有缺陷是绝对的，没有缺陷则是相对的。工艺缺陷举例•铸件：可能有缩孔、疏松、冷隔、裂纹等；•焊件：可能有气孔、夹杂、未熔合、未焊透以及焊接裂纹等；•锻件：往往有裂纹、褶皱、夹层等；•热处理件：也可能出现裂纹、偏析、组织粗大等等。1.1.3材料无损检测的意义(1)质量、安全保证——即控制产品质量，保证设备安全运行。①生产高质量产品的需要生产高质量的产品，往往需要从原材料、试板，到零件、部件乃至最终产品，都进行较严格的质量把关，即实行全面质量管理。而无损探伤技术恰好是必不可少的技术手段。②设备在役安全运行期间跟踪监测的需要设备运行期间也可能产生新的缺陷。如：应力腐蚀裂纹、延迟裂纹、疲劳裂纹等等。需要定期或不定期地进行质量跟踪，以保证其运行的安全性。如核反应堆中的压力容器。（2）工艺、技术保证——即改进制造技术，优化制造工艺；在新产品研制、新工艺制定过程中，对于某些工艺参数、工艺措施的确定，有时需要进行严格的工艺评定，借助先进的无损检测技术可筛选出最佳规范，进而制定出新产品的工艺规程，最终制造出合格的产品或优质产品。1.1.4区别适度检验和过度检验——无损检测技术的两面性事物总是一分为二的，都具有二重性。•在产品制造和在役运行过程中，及时、适度地采用无损检测技术，是优质高产的重要保证。但是，过分地采用该项技术，也会延误工期，同时无端提高生产成本。因此，应参考有关标准，合理选择检测工艺。•这就是强调经济性原则，正确处理好质量检测与降低生产成本和生产周期的关系！1.2材料无损检测的特点及检测依据1.2.1材料无损检测的特点材料无损检测技术主要用于未知工艺缺陷的检验。它是对破坏性检验的补充和完善。其特点是：①非破坏性——是指在获得检测结果的同时，除了剔除不合格品外，不损失零件。因此，检测规模不受零件多少的限制，既可抽样检验，又可在必要时采用普检。因而，更具有灵活性（普检、抽检均可）和可靠性。②互容性——即指检验方法的互容性，即：同一零件可同时或依次采用不同的检验方法；而且又可重复地进行同一检验。这也是非破坏性带来的好处。③动态性——这是说，无损探伤方法可对使用中的零件进行检验，而且能够适时考察产品运行期的累计影响。因而，可查明结构的失效机理。④严格性——是指无损检测技术的严格性。首先无损检测需要专用仪器、设备；同时也需要专门训练的检验人员，按照严格的规程和标准进行操作。⑤检验结果的分歧性——不同的检测人员对同一试件的检测结果可能有分歧。特别是在超声波检验时，同一检验项目要由两个检验人员来完成。需要“会诊”！概括起来,无损检测的特点是：非破坏性、互容性、动态性、严格性以及检测结果的分歧性等。应注意扬长避短，科学利用！1.2.2实施无损检验的依据①产品图样图样是生产中使用的最基本的技术资料，也是加工、检验的依据。尤其在图样的技术要求中，往往规定了原材料、零件、产品的质量等级、具体要求以及是否需要作无损检验等等。②相关标准生产企业往往要贯彻相关标准，如：企业标准、行业标准、国家标准、国际标准等等。这些都是产品加工的指导性文件，自然也是实施无损检测的指导性文件。在具体标准中，往往详细规定了检验对象、检验方法、检验规模等等。③技术文件产品生产工艺部门下达的各种技术文件，如工艺规程、检验卡片、产品检验报告、返修单等等。有时还要追加或改变检验要求等等。④订货合同某些产品的特殊检验要求、质量控制的条款，有时可能较详细的强调在订货合同中，应引起特别注意。第2章超声波检测•本章提要：•超声检测（UT）是利用其在物质中传播、界面反射、折射(产生波型转换)和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损检测方法，应用较为广泛。•按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测；•按显示缺陷方式不同分为：A型、B型、C型、3D型超声检测；•按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测；•按声耦和方式不同分为：直接接触法、液浸法超声检测；•由于时间有限，本章将重点介绍：脉冲反射法原理、直接接触法、A型显示方式、纵波法、横波法2.1超声波检测物理基础2.1.1超声波的物理本质它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。超声检测常用频率在0.5～10MHZ。2.1.2超声波的产生（发射）与接收(1)超声波的产生机理——利用了压电材料的压电效应。试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，表面就会产生电荷；此现象称为正压电效应；反之，当对此晶片施加交变电场时，晶体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。压电效应•压电效应图解＋/－b.施加交流电场时内部质点产生振动a.拉伸或压缩时表面产生电荷－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋正压电效应～－/＋逆压电效应(2)超声波的发射与接收①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。②接收——若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用。2.1.3超声波波型的分类•按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为：（1）纵波L——介质质点的振动方向与波的传播方向一致；（2）横波S——介质质点的振动方向与波的传播方向垂直；（3）表面波R——介质质点沿介质表面做椭圆运动；又称瑞利波；（4）板波——板厚与波长相当的薄板中传播的超声波，板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动，板中间也有超声波传播。又称兰姆波；•注意！①液体和气体介质（不能传递切向力）中，只能传播纵波！②同一介质中，声速的关系有：CLCSCR③同一介质中，声速、波长、频率之间的关系为：C=λ·f=常数。•按超声波振动持续时间分为：(1)连续波——在有效作用时间内声波不间断地发射；(2)脉冲波——在有效作用时间内声波以脉冲方式间歇地发射。注意:超声波检测过程常采用脉冲波。2.1.4超声波的基本性质(1)具有良好的指向性：直线传播，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好；束射性，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。声束的扩散角满足如下关系：θ=arcsin1.22(λ/D)(2-1)可见，波长越短，扩散角θ越小，声能越集中。(2)具有较强的穿透性，但有衰减；穿透性——来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方；所以，超声波的能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！衰减性——源于三个方面：扩散、散射和吸收；（3）只能在弹性介质中传播，不能在真空（空气近似看成真空）中传播；强调：横波不能在气体、液体中传播！表面波看作是纵波与横波的合成，所以，也不能在气体、液体中传播！（4）遇到界面将产生反射、折射和波型转换现象；（5）对人体无害——优于射线的性质。主声轴N近场区长度N=D2/4λ超声场及近场区压电晶片2.2超声波在介质中的传播2.2.1超声波在金属中的衰减定律超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散；在液体中主要是吸收。研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达：PX=P0·e-α·x(2-2)α——衰减系数；dB/mx——声束传播的距离，即声程m。•(2-2)式表明，超声波的声压在其传播的路径上，呈负指数规律衰减。•这里强调指出：衰减系数α为频率f4和晶粒尺寸d3的函数。所以，粗晶检测时，应适当降低超声波频率，弥补能量的不足。•研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系：p1/p2=h1/h2(2-3)•实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。2.3超声波在介质中的传播2.3.1超声波在异质界面处产生的各种现象(1)垂直入射异质界面时的透射、反射及绕射①透射与反射②反射系数K=W反/W入×100%W透W反w入③常见材料之间的界面反射系数界面材料反射系数K%钢—钢0钢—变压器油81钢—有机玻璃77钢——水88有机玻璃—变压器油17钢——空气100有机玻璃——空气100④反射现象的辩证分析反射现象：对发射超声波不利；对脉冲反射法接收有利。⑤影响反射系数K的因素反射系数K值的大小，决定于相邻介质的声阻抗之差：ΔZ=|Z2－Z1|ΔZ越大，K值越大。而与何者为第一介质无关。关于声阻抗声阻抗Z——表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。指超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点速度振幅V之比。定义式声阻抗Z=p/V(2-4)数值表征Z=ρ·CL(2-5)气体、液体、金属之间声阻抗之比约为：1：3000：8000。⑥绕射现象•当界面尺寸dfλ/2时，声波能绕过缺陷界面而继续向前传播的现象，叫作绕射。•因此，要想提高探伤灵敏度，必须提高频率f,以便发现更小的缺陷。超声波的绕射现象(2)倾斜入射异质界面的反射、折射和波型转换①参考图S1L1S2L2ααｓαLβｓβLLoL——入射纵波；α——纵波入射角；L1——反射纵波；αL——纵波L1反射角；S1——反射横波；αｓ——横波S1反射角；L2——折射纵波；βL——纵波L2折射角；S2——折射横波；βｓ——横波S2折射角。②斯涅耳定律：2211LLSSSSLLLCSINCSINCSINCSINCSIN（2－6)S1L1S2L2ααｓαLβｓβLL(2)临界角的讨论及其应用意义因CL=CL1;α=αL;由（2-6）式可推知:（2-7）（2-8）临界角的讨论：当取有机玻璃为第一介质，钢为第二介质时，即有：CL1CL2,CL1CS2CL2,必有αβSβL；且α，βS，βL；)sinarcsin(21lCCLL)sinarcsin(21sCCsL•故当βL=90°时，第二介质中只有横波。此时对应的纵波入射角α；叫作第一临界角，记为α1m。这时，α1m=27.6°。•当α，使βs=90°时，第二介质中只有表面波。此时对应的纵波入射角α叫作第二临界角，记为α2m=57.6。•临界角的应用：斜探头设计时，应保证声波的入射角介于第一临界角、第二临界角之间。2.4超声波检测原理•本节重点讲解:A型脉冲反射法超声波检测原理。在实际应用中以该法为主。2.4.1A型脉冲反射法超声波检测原理(1)原理：A型脉冲反射法超声波检测就是利用超声波在传播过程中，遇到声阻抗较大的异质界面时，将产生反射的原理来实现对内部缺陷检测的。(2)实现方法：该法采用单一探头——既作发射器件，又作接收元件，以脉冲方式间歇地向工件发射超声波；接受到的回波信号经功能电路放大、检波后，在探伤仪的示波屏上，以脉冲信号显示出来。(3)信号的解读：根据探伤仪示波屏上，始波T、伤波F、底波B的有无、大小及其在时基轴上的位置可判断工件内部缺陷的有无、大小和位置。见下图：示例直探头缺陷显示a.无缺陷b.小缺陷c.大缺陷TBTTBFF示波屏特征小结（a）无缺陷——示波屏上只有始波T和底波B