射线检测

大连理工大学研究生考查课作业课程名称：材料无损检测研究生姓名：史少飞学号：20905017作业成绩：任课教师(签名)交作业日时间：2010年06月15日-1-射线检测技术及其应用20905017史少飞摘要：射线检测作为无损检测的五大常规检测方法之一，是利用各种射线对材料的透射性能及不同材料对射线的吸收、衰减程度的不同，使底片感光成黑度不同的图像来观察的，是一种行之有效而又不可缺少的检测材料或零件内部缺陷的手段，在工业上有着非常广泛的应用。本文主要介绍了射线检测技术的原理、方法及其在实际中的应用及发展。关键词：无损检测，射线检测，X射线，照相法无损检测（Non-destructivetesting），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。常用的无损检测方法：射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和涡流检测(ET)五种。射线检测（Radiology）之所以在工业上被广泛应用，是因为射线检测适用于几乎所有的材料，对零件几何形状及表面粗糙度均无严格要求，目前射线检测主要应用于对铸件和焊件的检测；能直观地显示缺陷影像，便于对缺陷进行定性、定量和定位；能长期存档备查，便于分析事故原因。但是对平面缺陷的检测灵敏度较低，如当射线方向与平面缺陷（如裂纹）垂直时很难检测出来，只有当裂纹与射线方向平行时才能够对其进行有效检测。另外，射线对人体有害，需要有保护措施。1射线检测的物理基础在射线检测中应用的射线主要是X射线、γ射线和中子射线（如图1）。X射线和γ射线属于电磁辐射，中子射线是中子束流。由于他们属电中性，不会受到库伦场的影响而发生偏转，且贯穿物质的本领较强，被广泛应用于无损检测。X射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一种射线，是由原子的内层电子跃迁释放能量而发射出的一种电磁波，波长范围约为0.0006～100nm。在X射线检测中常用的波长范围为0.001～0.1nm，频率范围约为3×109～5×1014MHz。γ射线是一种波长比X射线更短的射线，波长范围约为0.0003～0.1nm，频率范围约为3×1012～1×1015MHz。工业上广泛采用人工同位素产生γ射线。由于γ射线的波长比X射线-2-更短，所以具有更大的穿透力。在无损检测中γ射线常被用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相。图1射线的波长分布中子射线是由某些物质的原子在裂变过程中逸出高速中子所产生的。工业上常用人工同位素、加速器、反应堆来产生中子射线。在无损检测中中子射线常被用来对某些特殊部件(如放射性核燃料元件)进行射线照相。2X射线检测的原理Χ射线检测是利用Χ射线通过物质衰减程度与被通过部位的材质、厚度和缺陷的性质有关的特性，使胶片感光成黑度不同的图像来实现的，检测原理：当射线通过被检物体时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线的吸收能力不同，一般情况是通过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度，因此可以通过检测透过被检物体后射线强度的差异来判断被检物体中是否有缺陷存在（如图2）。当一束强度为I0的Χ射线平行通过被检测试件(厚度为d)后，其强度Id为（1）若被测试件表面有高度为h的凸起时，则Χ射线强度将衰减为（2）如在被测试件内，有一个厚度为x、吸收系数为μ′的某种缺陷，则射线通过后，强度衰减为（3）若有缺陷的吸收系数小于被测试件本身的吸收系数，则IxIdIh，于是，在被检测试件的另一面就形成一辐射线强度不均匀的分布图。通过一定方式将这种不均匀的射线强度进行照相或转变为电信号指示、记录或显示，就可以评定被检测试件的内部质量，达到无损检测的目的。沿射线透照方向的缺陷尺寸越大，则有无缺陷处的强度差越大，反映在胶片上的黑度差越大，就越容易发现缺陷。)m01(-9ddeII0)(0ehdhII])([0exxdxII图2X射线检测原理-3-3X射线检测方法目前工业上主要有照相法、电离检测法、荧光屏直接观察法、电视观察法等。3.1照相法Χ射线检测常用的方法是照相法（如图3），即利用射线感光材料(通常用射线胶片)，放在被透照试件的背面接受透过试件后的Χ射线。胶片曝光后经暗室处理，就会显示出物体的结构图像。根据胶片上影像的形状及其黑度的不均匀程度，就可以评定被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、形状、大小和位置。此法的优点是灵敏度高、直观可靠、重复性好，是Χ射线检测法中应用最广泛的一种常规方法。由于生产和科研的需要，还可用放大照相法和闪光照相法以弥补其不足。放大照相可以检测出材料中的微小缺陷。3.2电离检测法当射线通过气体时与气体分子撞击，有的气体分子失去电子成为正离子，有的气体分子得到电子成为负离子，此即气体的电离效应。电离效应将会产生电离电流，电离电流的大小与射线的强度有关。如果将透过试件的X射线通过电离室测量射线强度，就可以根据电离室内电离电流的大小来判断试件的完整性。这种方法对缺陷性质的判别较困难，只适用于形状简单、表面工整的工件，应用较少。3.3荧光屏直接观察法将透过试件的射线投射到涂有荧光物质的荧光屏上时，在荧光屏上会激发出不同强度的荧光来，利用荧光屏上的可见影像直接辨认缺陷。这种方法成本低，适用于形状简单、要求不严格的产品的检测。3.4电视观察法电视观察法是荧光屏直接观察法的发展，将荧光屏上的可见影像通过光电倍增管增强图像，再通过电视设备显示。这种方法检测灵敏度比照相法低，对形状复杂的零件检测困难。4X射线检测的应用目前X射线检测应用最广的仍然是照相法，因此本文主要介绍X射线照相技术的应用。4.1典型工件的透照方向选择4.1.1平板型工件让X射线从前方照射，胶片放在被检查部位的后面，如图4所示。图3X射线照相原理示意图-4-4.1.2圆管特别注意胶片与被检部位紧密贴合，并使锥形中心的辐射线与被检区域中心的切面垂直。1）环缝外透法：胶片在内，射线由外向里穿过单层壁厚对焊缝进行透照。2）环缝内透法：胶片在外，射线由里向外照射，特别适用于壁厚大直径小的管子。3）双壁双影法：射线源在工件外侧，胶片放在射线源对面的工件外侧，射线透过双层壁厚把工件两侧都投影到胶片上的透照方法称为双壁双影法。外径小于等于89mm的管子对接焊缝可采用此法透照。透照时，为了避免上、下层焊缝的影像重叠，射线束方向应有适当倾斜。4）双壁单影法：缩小焦距，使上层管壁中的缺陷模糊，从而得到下层管壁的清晰图像。图4平板型工件透照方向4.1.3角形件检验此类工件时，X射线照射的方向多为其角的二等分线方向。4.1.4厚度变化剧烈的物体的透照这些物体可以通过采用两种感光度不同的胶片，感光快的底片上观察厚处，感光慢的底片上观察薄处；按材料厚薄单独曝光；对薄处采用密度相近的材料补偿；采用金属增感屏；不增感曝光等方法来处理。4.2常见缺陷及其影像特征4.2.1铸件中常见的缺陷1）气孔：因铸模通气性不良等原因，使铸件内部分气体排不出来而形成气孔。气孔大部分接近表面，在底片上的影像呈圆形或椭圆形，也有不规则形状的，一般中心部分较边缘稍黑，轮廓较清晰，如图5所示。2）疏松：浇铸时局部温差过大，在金属收缩过程中，邻近金属补缩不良，产生疏松。疏松多产生在铸件的冒口根部、厚大部位、厚薄交界处和具有大面积的薄壁处。在底片上的影像呈轻微疏散的浅黑条状（羽毛状）或疏散的云雾状（海绵状），严重的呈密集云雾状或树枝状，如图6所示。3）缩孔：铸件的缩孔在底片上呈树枝状、细丝或锯齿状的黑色影像。-5-4）熔剂夹渣：溶剂夹渣是在铸造过程中，镁合金特有的缺陷，在底片上呈白色斑点或雪花状，有的呈蘑菇云状。夹渣是金属熔化过程中的熔渣或氧化物，因来不及浮出表面而停留在铸件内形成的。在胶片上的影像有球状、块状或其他不规则形状。图5铸件中的气孔照片图6铸件内部疏松照片5）夹砂：夹砂是在铸造过程中，部分砂型在烧铸时被破坏造成的。对镁、铝等轻金属合金铸件，在底片上呈进白色的斑点；对黑色金属呈黑色斑点，边界比较清晰，形状不规则，影像密度不均匀。6）偏析：铸件中的偏析在底片上呈现为摄影密度变化的区域。按生成的原因分为比重偏析和共晶偏析两大类。比重偏析是在液化线以上沉淀的颗粒聚集而造成，在底片上呈现为亮的斑点或云状。共晶偏析是铸件固化时，某些缺陷或不连续处被邻近的剩余共晶液体所填充，形成高密度的富集区，在底片上多呈亮的影像。图7铸件裂纹照片图8焊缝气孔照片7）裂纹：裂纹一般是在收缩时产生，沿晶界发展。多产生在铸件厚度变化的转接处或表面曲率变化大的地方。在底片上的影像是连续或断续曲折状黑色直线或曲线，一般两端较细，有时带有分叉，如图7所示。4.2.2焊件中常见的缺陷1）气孔：气孔是在熔焊时部分空气停留在金属内部而形成的缺陷。气孔在底片上的影像一般呈圆形或椭圆形，也有不规则形状的，以单个、多个密集或链状的形式分布在焊缝上。在底片上的影像轮廓清晰，边缘圆滑，如气孔较大，还可看到其黑度中心部分较边缘要深一些（如图8）。-6-2）夹渣：夹渣是在熔焊时所产生的金属氧化物或非金属夹杂物，因来不及浮出表面，停留在焊缝内部而形成的缺陷。有非金属夹渣和金属夹渣两种。前者在底片上呈不规则的黑色块状条状和点状等，影像密度较均匀；后者是钨极氩弧焊中产生的钨夹渣，在底片上呈白色的斑点，如图9所示。图9焊缝夹渣照片图10对接焊缝未焊透照片3）未焊透：未焊透分为根部未焊透和中间未焊透两种，前者产生于单面焊缝的根部；后者产生于双面焊缝的中间部分。在胶片上的影像特征是连续或断续的黑线，黑线的位置与两基体材料相对接的位置间隙一致，图10为对接焊缝的未焊透照片。4）未熔合：有边缘未熔合和层间未熔合两种。前者是母材与焊条之间未熔合，其间形成缝隙或夹渣。在底片上呈直线状的黑色条纹，位置偏离焊缝中心，靠近坡口边缘一边的密度较大且直。后者是多道焊缝中先后焊层间的未熔合。在底片上呈黑色条纹，但不很长，有时与非金属夹渣相似。图11焊缝裂纹照片图12焊缝烧穿照片5）裂纹：裂纹主要是在熔焊冷却时因热应力和相变应力而产生的，也有在校正和疲劳过程中产生的，是危险性最大的一种缺陷。裂纹影像（如图11）较难辨认。因为断裂宽度、裂纹取向、断裂深度不同，使其影像有的较清晰，有的模糊不清。常见的有纵向裂纹、横向裂纹和弧坑裂纹，分布在焊缝上及热影响区内。尤以起弧处、收弧处及接头处最易产生，方向有横向的、纵向的或任意方向的。6）烧穿：在焊缝的局部，因热量过大而被熔穿，形成流垂或凹坑。在底片上的影像(如图12)呈光亮的圆形(流垂)或呈边缘较清晰的黑块(凹坑)。4.2.3表面缺陷-7-射线检测主要检查工件的内部缺陷。对于缺陷，主要应检查工件内部缺陷，但是各种表面缺陷在胶片上的影像和内部缺陷的影像并没有什么区别，表面缺陷有些是允许的。因此，在胶片上发现有缺陷影像后，应与工件表面仔细查对，最后得出结论。5射线检测技术的发展（1）数字射线照相技术时代。1990年，R.Halmshaw和N.A.Ridyard在《英国无损检测杂志》上发表题为“数字射线照相方法评述”的文章，在评述了各种数字射线照相方法的发展之后认为，数字射线照相时代已经到来。近年来射线检测技术发展的基本特点是数字图象处理技术广泛应用于射线检测，其中包括了照相检测技术。（2）今后重点应用的技术。1994年HaroldBerger在美国《材料评价》发表的“射线无损检测的趋势”中提出，在20世纪的最后10年和21世纪的初期，下列技术将得到广泛应用：①数字X射线实时检测系统在制造、在役检验和过程控制方面；②具有数据交换、使用NDT工作站的计算机化的射线检测系统；③小型、低成本的计算机辅助层析成像技术系统；④微焦点放大成像的X射线成像检验系统；⑤小型高灵敏度的X射线摄像机；⑥大面积的光电导X射线摄像机。参考文献:[1]李善喜.无损检测[M].机械工业出版社,2004.7[2]王乐生.射线检测[M].机械工业出版社,2009.11.[3]郑世才.