材料缺陷检测技术

材料（构件）缺陷检测技术摘要：无损检测技术是随着现代工业技术的发展而发展起来的，总得来说，无损检测大致经历了三个阶段早期称作无损探伤，它的作用是在不破坏产品的前提下，检测出人眼无法看见的缺陷，以满足工程中的需要；第二阶段称为无损检测，它不是检测，它不是检测最终产品，而是要测量过程工艺参数；第三阶段称为无损评价，它不仅要检测缺陷是否存在和位置信息，还要测出缺陷的类型、尺寸、形状、取向以及对材料的力学行为的影响。，无损检测的类型有很多，根据美国国家航天局统计分析，大概有六大类，70余种。因为材料（构件）缺陷检验在航空航天，建筑，交通，工业，运输都有广泛的应用，也是这些行业正常运行的必要保障，也为国家和人民提供产品质量和安全保障，所以，现如今人们发明了各种各样的材料缺陷检测设备和装置，如：超声检测、红外检测、电子错位散斑干涉、交变磁场测量法等无损伤检测技术。下面我将对一些现如今主要运用的检测技术对其原理、优缺点做一下介绍。关键词：无损检测，超声检测；红外检测；电子错位散斑干涉；交变磁场检测引言：材料或构件在使用中难免会有疲劳损伤、荷载损伤和被腐蚀，即使是全新加工制作的构件也难免有缺陷。及时发现材料或构件的缺陷有利于减少损失，保障安全。如今有很多各种各样的探伤检测设备，可以根据不同需要选择对应的检测设备和方法。下面将对比介绍一下现在普遍运用的检测手段和方法。1.超声探伤检测超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来．并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量(见拉伸试验)、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛。原理：超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.5～10兆赫。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制超声探伤仪成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。优缺点：超声检测法的优点是：穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上;对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小；设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。缺点是：不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。2.红外热波无损检测红外热像仪最早是因为军事目的而得以开发，后来迅速向民用工业领域扩展。自二十世纪70年代，欧美一些发达国家先后开始使用红外热像仪在各个领域进行探索。红外热像仪也经过几十年的发展，已经发展成非常轻便的现场测试设备。由于测试往往产生的温度场差异不大和现场环境复杂等因素，好的热像仪必须具备320*240像素、分辨率小于0.1℃、空间分辨率小、具备红外图像和可见光图像合成功能等。由于红外热成像技术能够进行非接触式的、高分辨率的温度成像，能够生成高质量的图像，可提供测量目标的众多信息，弥补了人类肉眼的不足，因此已经在电力系统、土木工程、汽车、冶金、石化、医疗等诸多行业得到广泛应用，如：在土木工程方面：红外热像仪可通过对建筑物表面的温度分布状况的检测，分析建筑物的结构，从而及时有效地发现例如外墙开裂、房顶裂缝、内部支撑损坏等问题，可避免严重影响救援进度、危害救援人员安全的房屋跨塌伤害事故，为灾区的救援工作提供技术保障；同时也可为灾区受损房屋的安全及渗漏状况提供参考依据。红外热像仪是“建筑质量检测”的有力工具，即通过非接触的方式测量建筑结构的表面温度状态，来检测外墙的剥离、空鼓状况或评价。红外热像仪未来的发展前景更不可限量。原理：红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。优缺点：由于红外热像仪属于窄带光谱辐射测温系统，使用其进行温度测量时所测得的物体表面温度，不是直接测量得到的，而是以测到的辐射能计算出来的。因此，实际测量时，测量精度受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度等因素的影响。所以相比之下，红外热像仪的测量误差因素比较多，误差可能会比较大。3、交变磁场无损检测交变磁场检测技术是一种新型的无损检测技术，可以实现金属表面裂纹尺寸测量。它在上世纪80年代后期开始被用于水下结构和海上平台设备的无损检测中。这种技术到现在已经发展的很成熟，而且被广泛的运用到各个领域。原理：交变磁场检测时先给被测试件通以交变电流，使红外热像仪工件表面外部空间形成交变磁场。若构件表面有裂缝，势必会影响电流分布，从而影响磁场分布，测量这个磁场变化，就能测定裂缝的长度和深度。其中0t为被测金属板厚度，r为被测试件磁导率，σ为被测材料的电导率，d为材料上缺陷的深度，励磁线圈的电流强度为mI，频率为f。当载有交变电流的励磁线圈靠近导体时，导体内部会产生电流，由于缺陷的存在，感应电流场受到破坏，利用磁测量传感器测到裂纹附近的磁场，就可以完成缺陷的检测。在工件上表面外围空间的磁场强度可以根据实际模型分为在空气域产生的磁场（inH），无缺陷工件的耦合场（pmH），以及缺陷造成的耦合场（pcH）三部分。),,(),,(),,(),,(zyxHzyxHzyxHzyxHpcpmin]3[优缺点：由于检查过程是非接触的，故对工件表面要求不高，甚至都不需要给工件除锈除漆，也不需要标定试件。也可以测定裂缝位置，深度，但其技术操作要求较高。4、电子散斑干涉检测电子散斑干涉(ESPI)技术是一种非接触式全场实时测量技术,因其通用性强、测量精度高、频率范围宽及测量简便等优点,近年来获得了快速发展。电子散斑干涉无损检测技术可以完成位移、应变、表面缺陷和裂纹等多种测试。原理：电子散斑干涉技术是以激光散斑作为被测物场变化信息的载体,利用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑场的相关条纹来检测双光束波前后之间的相位变化。一束激光被透镜扩展并投射到被检测物体的表面上,反射光与从激光器直接投射到摄像机的参考光光束发生干涉,在被照射的表面产生散斑场及一系列散斑图像。当物体运动时,这些散斑会随之发生变化,这些变化表征出被测物体表面的位移场变化或形变信息。使用CCD(电荷耦合器件)摄像机得到视频信号,由计算机软件处理分析后在监视器上显示出表征物场变化的散斑干涉条纹图,通过数值计算将这些条纹解析为人们所熟知的物理量。电子散斑干涉技术将全息干涉条纹图像转化为数字图像存储在计算机中进行运算和处理,处理过程实现了数字化、自动测量和对结果的直观解释。优缺点：电子散斑干涉无损检测技术是基于物体结构损伤处的外表面在静载荷或动载荷的作用下会产生非均匀的表面位移或变形,在有规则的干涉条纹中会出现明显的异状,如不连续、突变的形状变化和间距变化等;通过测算这些微小的变化,便可查明物体内部缺陷及其位置。与常规无损检测手段如射线、超声波、电磁、渗透和磁粉检测技术等相比,电子散斑干涉技术主要有以下优点：①测量信息丰富,可实现实时处理,测量精度高,能达到激光的波长级别。②能进行全场检验,使用方便,检测效率高,适用于形状比较复杂的物体。③检测结果易于保存,电子散斑条纹图可以数字形式保存在存储介质中,便于后续处理分析。④采用相减模式处理干涉散斑条纹,消除了一般杂散光的影响;测试仪器可在较强的光照条件下工作,即使在太阳光下也可测量高温物体的损伤。参考文献：【1】张俊哲等注，《无损检测技术及其应用》，北京，科学出版社，1993.11【2】中国无损检测协会编译，“电磁检测”，北京，机械工业出版社，1985【3】“基于交变磁场测量技术的金属表面缺陷检测系统的研究与实现”，赵海涛，2004.11【4】“基于交变磁场测量法的微弱信号检测”，李文艳，陈国明，李伟，中国石油大学，机电工程学院【5】陈建忠，史耀武，无损检测交变磁场测量法【J】.无损检测，2001【6】王泽新，陈国民，基于labview的交流电磁场检测信号处理方法，石油工程建设，2008【7】郭广平，刘水冰，王钰等，蜂窝结构的错位散斑无损检测技术,2004【8】张伟伟，贺玲凤，顾学甫，电子剪切散斑在无损检测中的应用，实验力学,2006【9】陈金龙，孙晨光，秦玉文，复合材料（结构）粘接质量的检测技术，宇航学报，2004【10】蜂窝夹芯板缺陷的ESSPI无损检测，栾旭，粱军，程靳，王超，哈尔滨工业大学【11】涡流阵列无损检测技术在打飞机中的应用，伏小强，吴素君，张佳佳，赵亮，何景武，上海飞机设计院【12】谢小荣，杨小林，飞机无损检测【M】，北京，航空工业出版社【13】[4]付惠民,钱若力.无损检测可靠性与寿命控制方法[J].航空动力学报,1994,9【14】林翠翠，散斑干涉法在工业质检中的应用，2011.12，天津大学，硕士论文【15】吴天茂，无损检测技术及其应用，东方电机，2002【16】孙德江，复合材料无损检测方法，西飞科技，1993【17】万敏，电子散斑干涉检测技术的研究，[硕士学位论文]，南京航空航天大学，2009【18】王巍巍，散斑干涉技术实验研究机无损检测方面的应用，[硕士学位论文]，哈尔滨工程大学，2008