无损超声技术

无损超声检测技术（Ⅰ级）1无损检测综合知识1.1材料的无损检测1.1.1无损检测的定义：不破坏材料的外形和性能的情况下，检测该材料的内部结构（组织与不连续）和性能，该技术称为无损检测。英文全称：NonDestructiveTesting(NDT)1.1.2常用无损检测方法*射线检测：RadiographicTesting(RT)*射线的种类与本质：χ射线、γ射线和中子射线。χ射线和γ射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线一样，都是电磁波；而中子射线是粒子。*X射线的产生：X射线管*γ射线的产生：γ射线是放射性原子核在衰变时放射出来的电磁波。放射性衰变。射线检测：原理、方法与应用*χ射线和γ射线通过物质时其强度逐渐减弱。强度衰减公式：I＝I0e-μx*利用射线透过物体时产生的吸收和散射现象，检测材料中因缺陷存在而引起射线强度改变的程度来探测缺陷的方法称为射线检测。利用胶片感光显示缺陷的方法称为射线照相法。*检测技术类型：照相法；荧光屏法；工业电视法；*检测对象类型：金属；非金属。焊缝；铸件。*检测缺陷类型：裂纹；气孔；未焊透；未融合；夹渣；疏松；冷隔等。检查对接焊缝中的单个气孔，用射线方法比用超声方法好。超声检测：UltrasonicTesting(UT)*超声波的本质：机械波，它是由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程，例如水波、声波、超声波等*超声波的类型：纵波和横波表面波（瑞利波）、板波*超声波的性质：（1）声速：与材料性质有关、与波的种类有关（2）波的叠加、干涉及驻波（3）反射、折射和波型转换#超声检测：原理、方法与应用*超声波的产生：仪器、探头*超声波与工件的接触：耦合剂*超声波在工件内的传播与反射、波的接收*超声波检测原理：探头发射的超声波通过耦合剂在工件中传播，遇到缺陷时反射回来被探头接收。根据反射回波在荧光屏上的位置和波辐高低判断缺陷的大小和位置。*超声检测技术的特点：应用范围广；穿透能力大；设备轻便；定量不准确；定性困难。*检测技术类型：纵波法；横波法；表面波法；板波法，…*常用检测方法：穿透法；反射法；串列法；液浸（聚焦）法；...*检测对象类型：金属；非金属。焊缝；板件；管件；锻件。*检测缺陷类型：面缺陷；体缺陷。定性困难。*数字化、智能化发展前景宽广。磁粉检测:MagneticTesting(MT)*漏磁场：铁磁材料磁化时磁力线由于折射而迤出到材料表面所形成的磁场称为漏磁场*剩磁：铁磁材料磁化时所具有的磁性在磁化电流取消后继续存在的性质称为剩磁*铁磁材料在磁场中被磁化后，缺陷处产生的漏磁场吸附磁粉而形成磁痕。磁痕的长度、位置、形状反映了缺陷的状态。*磁粉检测技术的特点：检测表面和近表面缺陷；铁磁材料；*常用检测方法：剩磁法；连续法。*检测对象类型：铁磁材料。焊缝；钢板；钢管；螺栓等...*检测缺陷类型：裂纹；夹渣等...。渗透检测：PenetrateTesting(PT)*分子压强与表面张力：每一个离液面的距离小于分子作用半径r的分子，都受到一个指向液体内部的力的作用。而这些表面分子及近表面分子组成的表面层，都受到垂直于液面且指向液体内部的力的作用。这种作用力就是表面层对整个液体施加的压力，该压力在单位面积上的平均值叫分子压强。分子压强是表面张力产生的原因。*液体润湿：液体铺展在固体材料的表面不呈球形，且能覆盖表面，此现象称液体润湿现象。*毛细现象：润湿液体在毛细管内的自动上升或下降称为毛细现象。渗透检测：原理、方法与应用*具有润湿作用的渗透剂在毛细管作用下渗入表面开口缺陷。在显象剂作用下由于毛细管作用渗入到开口缺陷内的渗透剂被析出表面形成痕迹。*渗透检测基本操作过程*渗透检测技术的特点：检测表面开口缺陷；*常用检测方法：着色法；荧光法。*检测对象类型：金属与非金属材料。*检测缺陷类型：裂纹。涡流检测：EddyCurrentTesting(ET)*由于电磁感应金属材料在交变磁场作用下产生涡流。*金属材料中存在的裂纹将改变涡流的大小和分布，分析这些变化可检出铁磁性和非铁磁性材料中的缺陷。*涡流可用以分选材质、测膜层厚度和工件尺寸以及材料的某些物理性能等。*涡流检测技术的特点：适用于导电材料；检测近表面缺陷。*常用检测方法：穿过式线圈；内通过式线圈；探头式线圈。*检测对象类型：金属与非金属材料。*检测缺陷类型：裂纹。#1.1.2常用无损检测方法的应用一、应用的部门航空、航天、机械、核工业、汽车制造、船舶、电子、钢结构、商检、进出口等。二、应用的对象（1）缺陷探伤（2）厚度测量（3）性能测试1.1.3常用无损检测方法的范围及局限性方法应用范围局限性RT各类材料的内部缺陷表面缺陷较难发现UT大厚度金属和部分非金属材料的内部缺陷仅限于弹性介质MT表面和近表面缺陷仅限于磁性介质PT金属和部分非金属仅限于表面开口缺陷材料的表面缺陷ET表面和近表面缺陷仅限于导电材料1.2材料1.2.1材料的性能一、力学性能（1）金属材料的静拉伸力学性能*强度：金属抗拉永久变形和断裂的能力*塑性：又称范性，断裂前材料发生不可逆永久变形的能力*韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力（2）金属材料的弹性性能*弹性（虎克定律）：（3）金属材料在静加载下的力学性能*扭转性能*弯曲、压缩性能*硬度（4）金属材料的冲击性能（5）金属材料的疲劳性能（6）金属材料的蠕变性能二、物理性能（1）密度、比热量、磁性、导电性、导热性等（2）光学性能（3）声学性能#1.2.3金属材料中的各种缺陷及不连续性一、不连续性：金属或合金内部结构的不均匀变化，称为不连续性。材料内结构的不连续对材料性能有影响。二、缺陷：对金属材料的性能造成破坏的不连续性称为缺陷。因此不能简单的说：不连续就是缺陷。1.3加工及缺陷一、最初加工过程及相关缺陷（1）铸造：将熔融金属浇注入铸型型腔，冷却后形成工件的加工过程；常见的铸造缺陷：气孔、缩孔、疏松、冷裂、热裂、冷隔、偏析、夹杂。（2）塑性加工：锻、轧、拔、钣金等常见的塑性加工缺陷：裂纹、折叠、分层、白点（氢脆）二、制造加工过程及相关缺陷（1）焊接：通过加热或加压，使填充材料熔化、冷却将工件连接在一起的加工方式称焊接；常见的焊接缺陷：气孔、夹渣、未融合、未焊透、裂纹、夹珠、钨夹杂（2）表面加工：车、铣、刨、镀、磨、喷丸、吹砂等常见的表面加工缺陷：氢脆（3）热处理：对金属材料加温并用不同方法冷却使其组织结构发生的方法称热处理；常见的热处理缺陷：淬裂（4）其他热加工工艺：粉末冶金等1.4在役中的材料1.4.1在役中材料的行为受力、受压、高低温、摩擦、腐蚀...1.4.2在役工况导致缺陷和失效一、腐蚀：腐蚀裂纹、腐蚀坑、腐蚀减薄二、疲劳：疲劳裂纹、疲劳断裂三、磨损：材料减薄、摩擦裂纹四、过负载：变形、断裂五、脆性断裂：镉脆、氢脆1.4.3金属中破裂发展的概念一、缺陷的形成（应力集中）二、缺陷的发展（载荷）三、断裂#1.5无损检测人员管理*持有NDTⅠ级证书的人员有资格按照NDT指导书，并在II级和III级人员的监督下进行NDT操作。I级人员应能：（a）调整设备；（b）进行检测；（c）按照文件提供的验收标准进行记录并对检测结果分类；（d）按检测结果写出检测报告。*Ⅰ级人员不应负责选择检测方法或技术。2超声检测物理基础2.1声的特性及机械波的传播*物体在一定位置附近作来回重复的运动，称为振动。例如弹簧振子的振动。振动产生机械波，机械波在弹性介质内传播。机械波的振动频率在每秒20次---20000次之间时，人的耳朵就能听到成为声。所以声波就是机械波的一部分。*声的特性①声的产生条件：声源和传播声的弹性介质；②声波具有反射、折射、衍射等光学性质；③声波在异质界面上发生波形转换；④声的传播速度是与材料、波形、温度有关的参数。2.2频率、振幅、波长和声速的概念*物体在弹性力作用下发生的谐振动规律可用下是式表示：x＝Acos（ωt＋φ)*振幅A，振动质点离开平衡位置的最大位移;*频率f，单位时间内质点振动的次数。单位为次／秒，记为“赫”（Hz）;*波长λ，波的传播方向上相位相同的两质点之间的距离。可用公式λ＝C/f计算，式中C为声速。*在介质中超声波传播的传播速度（即声速）与质点的振动速度是不同的。在同一固体介质中，纵波、横波、表面波的传播速度都是不同的。2.3声阻抗*声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用；*声阻抗的计算：Z＝ρc；*声波在二种介质的界面上垂直入射时的相对透过率和反射率取决于二种介质的声阻抗比。2.4声波的类型*纵波：介质质点的振动方向和波的传播方向相同的声波称为纵波，用符号“L”表示。波速用CL表示。*横波：介质质点的振动方向和波的传播方向垂直的声波称为横波又称切变波，用符号“S”表示。波速用CS表示。横波探伤最适用于焊逢、管材探伤。*波动的形式(波形)可以分为球面波，平面波、柱面波等。*固体介质表面的质点发生纵向振动和横向振动，两种振动合成为椭圆振动，椭圆振动在介质表面传播，这种波称为表面波，用符号“R”表示。*在板状介质中传播的弹性波称为板波，又称兰姆波。2.5超声波在二种不同介质面上的行为2.5.1超声波的反射和折射*超声波在二种不同介质的界面上垂直或倾斜入射时，在第一介质内产生反射回波的性质称为反射。*超声波在二种不同介质的界面上倾斜入射时，在第二介质内产生方向改变的入射波称为折射，该入射波称为折射波。2.5.2超声波的波型转换*超声波在倾斜入射时发生波型转换，即入射的纵波在反射或折射时会转换成纵波、横波二种波；入射的横波在反射或折射时会转换成横波、纵波二种波。*波型转换与介质的类型有关。2.5.3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，其能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减。由声束扩散引起的超声波衰减称为扩散衰减。*声束在不同声阻抗介质的界面散射引起的衰减叫做散射衰减。*由介质吸收引起的超声波衰减称为吸收衰减。*由材料表面粗糙度、表面曲率大小和表面附着物等因素所引起的超声波的衰减称为耦合衰减。2.6压电效应和探头2.6.1压电效应与压电材料*某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。*负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。*常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。2.6.2探头的编号方法2.5P20Z5Q6×6K3||||||||频率材料直径直探头频率材料矩形K=3材料：P-锆钛酸铅；B-钛酸钡；T-钛酸铅；L-铌酸锂；I-碘酸锂；N-其他探头类型：Z-直探头；K-斜探头；SJ-水浸探头；FG-分隔探头；BM-表面探头；KB-可变角探头；2.6.3探头的基本结构*压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。*脉冲重复频率是指超声波探伤仪在单位时间里所产生的脉冲数目；探伤频率是指在电脉冲作用下晶体每秒钟振动的次数，二者不可相提并论。2.6.4直探头一、直探头的保护膜*压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。*软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。*保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗Zm应满足一定要求。*试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际