第7讲：无损检测概述与超声检测技术(2)_简化版

1第7讲无损检测概述与超声检测技术无损检测概述超声检测技术2超声检测的原理超声检测原理：超声波在材料中传播遇到缺陷时会发生一些特性的变化（如能量损失、反射等），通过这些特性的变化来判断材料的缺陷。常用的超声波频率为0.5—25MHz，检测过程：–向被检测试件中引入超声波。–超声波与材料相互作用，声波特性发生变化。–改变特性的超声波被检测仪器检测到，并据此分析缺陷的特征。依据：反射信号的存在和幅度。入射信号和检测信号的时间差。能量的衰减。等等。3超声检测的物理基础超声波是频率大于20KHz的机械波。主要特征量：周期、频率、波长和波速。频率取决于震源，在传播过程中始终不变。波长λ、波速c、频率f和周期T之间的关系为：λ=cT=c/f4超声波的分类根据波动中质点振动的方向与波的传播方向的关系，超声波可分为：–纵波：平行–横波：垂直–表面波（瑞利波）：仅在表面传播–兰姆波：薄板中传播的一种波形5超声波的传播速度声速依赖于传声介质自身的密度、弹性模量和声波的类型等性质。声速对缺陷的定位和定量分析有重要意义。纵波在固体中的声速纵波在液体和气体中的声速横波在在固体中的声速CS＝E－弹性模量；ρ－密度；σ—波松比；B—液体或气体的体积弹性模量；G－介质的切变模量)21)(1(1ELcBc)1(2EGSc6超声波的声压、声强、声阻抗声压和声强是描述声场的物理量，声阻抗描述的是介质的特性，与声波在界面上的行为相关。声压p：声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差。p=ρcuu：质点振动的速度声强：在垂直于声波传播方向的平面上，单位面积上单位时间内所通过的声能量。I=p2/2ρc声阻抗Z：ρc就是介质的声阻抗。在同一声压下，Z越大，质点振动的速度越小。声压与超声检测仪屏幕上脉冲的高度成正比。7超声波的传播超声波的波动性：叠加、干涉、共振、散射和衍射等。见《大学物理》及其他参考书。波的衍射见下图如果障碍物的尺寸比超声波的波长尺寸小得多，则对超声波的传播没有影响。8超声波的反射和透射超声波垂直入射的情况如右图将反射声压与入射声压的比值称为反射率r，将透射声压与入射声压的比值称为透射率t，表达式如下：声强反射率R和声强透射率T的表达式如下：1220121202ZZZpptZZZZpptrr212212022102121220)(4)(ZZZZpZpZIITZZZZrIIRttr9超声波的反射和透射（续）根据前面的公式，可知：–能量守恒：I0＝It+Ir，R+T=1–声阻抗差异越大，反射声能越大。应用：钢中的空气孔钛合金中的α夹杂物–超声波从钢射入水中，Z1/Z2=45/1.5r=－0.953，t=0.065–超声波从水射入钢中，Z1/Z2=1.5/45r=0.935，t=1.935反射率为负？透射率大于1？10超声波的反射和透射（续）反射率为负表示反射波与入射波相位相反。透射率大于1，但反射能仍占大部分。？11超声波的衰减衰减：声压或声能随着距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因：–声束的扩散–介质中晶粒或其它微粒对声波的散射–介质的吸收衰减规律–声压衰减的规律一般可用下式表示：衰减系数后的声压传播距离起始声压axppeppax::0012AVG曲线描述规则反射体距声源的距离A、回波高度V和缺陷当量尺寸G之间关系的曲线。是超声检测中常用的曲线。包括：–纵波AVG曲线和横波AVG曲线–平底孔AVG曲线和横孔AVG曲线–通用AVG曲线和实用AVG曲线–等等13通用AVG曲线对规则反射体距声源的距离A和缺陷当量尺寸G进行了归一化，可适用于不同规格的探头。在远场区：–大平底回波声压：–平底孔回波声压：21420xDppBxDxDppff4422014通用AVG曲线由于A型脉冲探伤仪的波高与声压成正比，则：–大平底回波声压：–平底孔回波声压：–x用归一化距离A表示为：–当量尺寸用G表示为：–将A和G代入上式，得：214200xDppHHBBxDxDppHHfff44220024DxNxADDGfAHHB20220AGHHf15通用AVG曲线用DB表示相对波高，则有：–用横座标表示A，纵座标表示相对波高V，利用上式可以得出一组曲线，见下页图。AHHVBlg202lg20)lg(2001AGHHVflg40lg40lg40)lg(200216通用AVG曲线在曲线的x3处,理论公式不适用,曲线是通过试验测得的.17实用AVG曲线通用AVG曲线虽然可适用于不同的探头,但在使用时需要反复归一化声程和缺陷当量,很不方便。实用AVG曲线：以声程（mm）为横座标，以平底孔当量标注各个曲线。只适用于特定材料、特定尺寸和频率的探头。制作方法与通用AVG相同，只是可以引入探头的参数，考虑材料的衰减性能，可以计算得到，也可以通过试验得到。18实用AVG曲线纵波平底孔实用AVG曲线见右图：晶片D＝20mm，f=2.5Mhz，材料为钢19超声检测技术与设备超声检测技术的分类–按原理分：脉冲反射法、穿透法和共振法–显示方式：A型显示、B型显示和C型显示–波型分类：纵波法、横波法和兰姆波法–耦合方式：接触法、液侵法–等等超声检测方法的选择依据：检测对象的制造工艺、使用目的、缺陷的种类和可能性、验收要求等。20脉冲反射法和穿透法脉冲反射法示意如下图原理：通过试件底面或缺陷反射情况进行检测。21穿透法穿透法示意如下图原理：根据脉冲波穿透试件后的能量变化来判断内部缺陷情况。22脉冲反射法和穿透法的比较脉冲反射法的优点（相对于穿透法）：–检测灵敏度高。25MHz可检出钢中120um的缺陷（按1／2波长计算）。–可对缺陷精确定位。–操作方便。脉冲反射法的缺点（相对于穿透法）：–有盲区，不能检出表面缺陷。–难于检测主平面与声束轴平行的缺陷–难于检测高衰减材料中的缺陷。23超声波探头超声波探头：是产生和接收超声波的器件，直接影响着超声波的检测能力。原理：利用材料的压电效应实现电声能量的转换。超声波探头即能将电能转换为声能，也能将声能转换为电能。材料的频率常数是晶片的谐振频率和晶片厚度的乘积。同样的材料，制作高频探头时需要小厚度晶片，制作低频探头时需要大厚度晶片。2200LcftfN24耦合剂耦合剂：为了改善探头与试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层。作用：使超声波能够射入工件；润滑。常用的耦合剂–水：方便；但易流失–甘油：声阻抗大，耦和效果好；但需要稀释，价格高–全损耗系统用油：较为常用25试块为了保证检测结果的准确性和可重复性，必须用一个具有已知固定特性的试块对检测系统进行校准。常用试块包括校准试块和参考试块。校准试块：具有规定的材质和表面状况，用于校准设备。参考试块：与受检材料声学特性相似，用以调节检测设备的工作状态，和对缺陷进行标定。26超声检测典型波形27迟到的回波28缺陷的评定缺陷评定的内容：位置和尺寸缺陷位置评定–平面位置–埋藏深度缺陷尺寸评定–回波幅度评定–当量尺寸评定–缺陷面积的测量29缺陷的评定缺陷位置评定–平面位置：一般位于缺陷波最大值的正下方。–埋藏深度：设探伤仪的时基线比例为1：n，根据缺陷回波前沿所对应的水平刻度值为t，可判断缺陷到探头的距离为x=nt。30缺陷的评定缺陷尺寸评定–当缺陷小于声束截面时，采用回波高度法和当量评定法。–当缺陷大于声束截面时，采用缺陷延伸长度法（或面积测量法）评定缺陷的尺寸。31缺陷的评定当量评定法：AVG曲线法–用平底孔AVG曲线确定缺陷当量，不需要大量的试块和繁琐的计算。例：用2.5MHz，φ14mm直探头对厚度420mm的钢件进行检测，在210mm处发现一缺陷，缺陷波比底波低26dB，求此缺陷的当量（cL＝5.9X106mm/s）。–计算Aj和A。–查AVG图–计算缺陷当量mmNxAmmNxAmmDNjj10212102021420215.2/9.5414144232缺陷的评定缺陷的当量尺寸d=GD=0.2*14=2.8mmmmNxAmmNxAjj1021210202142033超声检测的优点适合于金属、非金属和复合材料等。穿透能力强，可检测1mm—几m的金属材料。灵敏度高，可测定缺陷的深度位置。一般情况，仅需从一侧接近试件。设备轻便，对人体无害，可作现场检测。34超声检测的局限性存在检测盲区，难于检测表面和近表面的缺陷。材料的某些组织结构（如晶粒度、非均匀性等）会使缺陷检测的灵敏度和信噪比变差。对缺陷的定量表征不够准确，需要检测者丰富的经验。一般需要耦合剂。