第十章 无损检测技术概论

第十章无损检测技术概论第一节无损检测初步无损检测(NDT：NondestructiveTest)就是不破坏和损伤受检物体，对它的性能、质量有无内部缺陷进行检测的一种技术。无损检测概述1NDT是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段。2NDT能发现材料或工件内部和表面所存在的缺欠，能测量工件的几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。3NDT能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查（维修保养）等多方面，在质量控制与降低成本之间能起最优化作用。NDT还有助于保证产品的安全运行和（或）有效使用无损检测方法种类NDT包含了许多种已可有效应用的方法。按物理原理或检测对象和目的的不同，NDT大致已可分为如下几种方法：a)辐射方法：——（Ｘ和γ）射线照相检测——射线透视检测；——计算机层析成像检测；——中子辐射照相检测b)声学方法：——超声检测；——声发射检测；——电磁声检测B超c)电磁方法：——涡流检测；——漏磁检测d)表面方法：——磁粉检测；——渗透检测；——目视检测e)泄漏方法：——泄漏检测。f)红外方法：——红外热成像检测无损检测NDT(NondestructiveTest)工业上最常用的无损检测方法有5种：a)射线探伤(RT)：使用电磁波对金属工件进行检测．这同X透视类似，射线(例如：X射线，γ射线)穿过材料到达底片，在正常情况下．会使底片均匀感光：如果遇到裂缝、洞孔以及气泡、夹渣等缺陷，就会在底片上显示出暗影区来。这种方法能检出缺陷的大小和形状，还能测定出材料的厚度。b)超声检测(UT)：当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。C）渗透探查(PT)这是一种检查表面缺陷的方法。在清洗过的工件表面涂上渗透剂．如果有缺陷，它就会渗入缺陷中。然后把工件表面多余的渗透剂清除干净．再涂上显像剂．由于毛细现象，缺陷里残存的渗透剂被吸出。因为渗透剂中加入了红色染料或荧光物质，所以用肉眼就可以发现很细微的缺陷。d)磁粉检测(MT)：钢制的工件放在磁场中就会被磁化．如果工件表层存在缺陷，例如：裂缝、夹杂物等，磁力线只能绕过缺陷，形成局部磁极。如果在工件表面撒上导磁性良好的磁粉，它就会受局部磁极的吸引而堆积．于是显出了缺陷的位置和形状。这种方法适用于探测表面和近表面的缺陷。e)涡流检测(ET)：给一个线圈通入交流电．在一定条件下通过的电流是不变的。如果把线圈靠近被试工件，像船在水中那样，工件内会感应出涡流，受涡流的影响，线圈电流会发生变化。由于涡流的大小随工件内有没有缺陷而不同，所以线圈电流变化的大小能反映出有无缺陷。几个基本概念集肤效应当交变电流流过导线时，导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流，从而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其当频率较高时，此电流几乎是在导线表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象(集肤效应现象（skineffect），或者称趋肤效应)当交变电流流过导体时，靠近导体表面处电流密度大，愈深入导体内部，它们愈小。当频率很高时，它们几乎只在导体表面附近一薄层中存在，这种场量主要集中在导体表面附近的现象，称为集肤效应。工程上常用透入深度d表示场量在良导体中的集肤程度。它等于场量振幅衰减到其表面值的1/e时所经过的距离d集肤深度，三个变量分别是ω角频率，μ绕组电导率以及γ磁导率第二节射线探伤射线—我们指的是波长比紫外光还短的电磁波，X光及γ光。X光波段的波长范围为10-8～10-12m波段的波长范围为2x10-9～2×10-13m。它们能穿透物体从而获得物体内部的信息。射线穿透物体时一部分光子或光子能量被物体吸收产生散射的光子或二次电子使穿透过去的光子数量及能量发生变化。射线探伤利用X射线或γ射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同﹐检测被检物中缺陷的一种无损检测方法。X射线是在高真空状态下用高速电子冲击阳极靶而产生的。γ射线是放射性同位素在原子蜕变过程中放射出来的。两者都是具有高穿透力﹑波长很短的电磁波。不同厚度的物体需要用不同能量的射线来穿透﹐因此要分别采用不同的射线源。例如由X射线管发出的X射线(当电子的加速电压为400千伏时)﹐放射性同位素60Co所产生的γ射线和由20兆电子伏直线加速器所产生的X射线﹐能穿透的最大钢材厚度分别约为90毫米﹑230毫米和600毫米。射线探伤利用X射线或γ射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同﹐检测被检物中缺陷的一种无损检测方法。原理被测物体各部分的厚度或密度因缺陷的存在而有所不同。当X射线或γ射线在穿透被检物时﹐射线被吸收的程度也将不同。若射线的原始强度为I0﹐通过线吸收係数为μ的材料至距离d后﹐强度因被吸收而衰减为I﹐其关系为式中d为物体的厚度，μ称为材料对射线的吸收系数。如果物体的组织不均匀，或者内部有孔洞或夹杂，则物体各部分的吸收系数并不相同，因此检测到的各处的射线强度亦不相同。deII0P60若将受到不同程度吸收的射线投射在X射线胶片上﹐经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片(X射线底片)。这种方法称为X射线照相法。如用荧光屏代替胶片直接观察被检物体﹐称为透视法。如用光敏元件逐点测定透过后的射线强度而加以记录或显示﹐则称为仪器测定法。按照应用的侧重点和产品的特点，x射线无损检测技术大致可分为以下三类。(1)基于2D图像的x射线检测和分析。(2)基于2D图像，具有最高放大倍数的倾斜视图的x射线检测分析。(3)3DX射线检测分析。对射线吸收的物理效应有如下三种1．光电效应入射光子遇到原子外的轨道电子，它吸收了光子的全部能量后动能增加，越出了原子成为光电子，失去电子的原子则成为带正电的离子，这一现象就称为光电效应。光电效应发生的几率τ又称吸收系数nAzC1.1C为比例常数(0.0089)；ρ为物质密度；z为原子序数；A为物质的原子量；λ为入射波的波长；n为一系数，它随光子能量的大小而变化由于光电效应中在原子的电子轨道上将产生空位，这些空位将被外层轨道电子填充，所以将产生跃迁辐射，发生特征X射线。这种辐射通常称为荧光辐射。伴随发射特征X射线（荧光辐射）是光电效应的重要特征。2．康普顿效应当光子冲击到电子时它失去了一部分能量，并改变了原来的运动方向(成θ角)变成散射光子。而电子获得了一部分能量离开原来的轨道向另一方向运动成为散射电子(又称反冲电子)，两者间的角度小于90o。，像打弹子一样，这种散射的几率σ只与单位体积内电子的总数有关。式中：σ电为由反冲电子引起的吸收率，σ光为光子的吸收率，N0为阿佛加得罗常数（6.02486×1023)。ρ为物质密度；z为原子序数；A为物质的原子量；由散射引起的吸收系数却带来较低能量的散射光子这些散射线会造成底片或捡测器上的本底灰度，降低了对比度AZN/(0）光电原子序数越大，越不容易被激发3．电子对生成效应当入射光子的能量大于1．022MeV时，光子可在原子核中打出一对正负电子，向两个不同的方向散射。正电子很快会同另一负电子复合而消失，变成两个能量各为0．511MeV的光子。由这一现象引起的吸收系数为x式中K为常数，N为单位体积内的原子数，hν为入射光子的能量(MeV)。)022.1(2hvKNZx淹没当能量小于1.022MeV时，不产生这一效应，能量越大这一效应也越大。这一效应造成对入射线强度的减弱。所以用作探伤时，过分增加射线能量有时反而会减小穿透深度。因此一般经验是最大入射能量在30MeV以下。总的吸收系数x瑞利散射入射光量子与原子内层轨道电子碰撞的散射过程。这个过程中，一个束缚电子吸收入射光量子后跃迁到高能级，随即又释放一个能量约等于入射光量子能量的散射光量子，光量子的损失可以不计。优点：射线照相法能较直观地显示工件内部缺陷的大小和形状﹐因而易于判定缺陷的性质﹐射线底片可作为检验的原始记录供多方研究并作长期保存。缺点：这种方法耗用的X射线胶片等器材费用较高﹐检验速度较慢﹐只宜探查气孔﹑夹渣﹑缩孔﹑疏松等体积性缺陷﹐而不易发现间隙很小的裂纹和未熔合等缺陷以及锻件和管﹑棒等型材的内部分层性缺陷。此外﹐射线对人体有害﹐需要采取适当的防护措施。应用射线照相法已广泛应用于焊缝和铸件的内部质量检验﹐例如各种受压容器﹑锅炉﹑船体﹑输油和输气管道等的焊缝﹐各种铸钢阀门﹑泵体﹑石油钻探和化工﹑炼油设备中的受压铸件﹐精密铸造的透平叶片﹐航空和汽车工业用的各种铝镁合金铸件等。透视法的灵敏度较低﹐仪器测定法操作比较麻烦﹐两者均应用不多。压力容器X射线探伤机用途：X射线探伤机适用于国防、造船、石油、化工、机械、航空航天和建筑等工业部门检查船体、管道、高压容器、锅炉、飞机、车辆和桥梁等材料、零部件加工焊接质量，内部缺陷以及各种轻金属、橡胶、陶瓷等加工的质量。X射线探伤机特点：X射线发生器体积小，阴极接地，风扇强迫冷却；重量轻，携带方便，操作简单；自动训练X射线发生器，查询曝光参数；延时启动高压，保证操作者安全；严格控制生产工艺，造型美观，结构合理。技术指标：（以XXG-2505型为例）X射线管：波纹陶瓷管管电压：150～250KV（连续可调）管电流：5mA输入：2.5KW焦点尺寸：2.0×2.0mm辐射角度：40＋5°灵敏度：优于1.5％底片黑度：＞1.5焦距600mm,曝光时间5min，双面铅箔增感最大穿透能力：40mm(A3钢)射线检测法在复合材料无损评价中的应用X射线照相检测法X射线照相检测(Radiography)是最传统的无损检测方法之一，在工业领域已得到了广泛应用。其原理是根据射线穿过不同材料时衰减量不同引起透射射线强度的变化，而在胶片上呈现明暗不同的影像，从而检测出被测物体中存在的缺陷。X射线照相检测法的优点是成本低，易操作；其局限性为效率低，缺陷(裂纹)的方位是决定性的，要求与射线平行。Harris认为可发现气孔，而不能发现由热收缩产生的裂纹或纤维/树脂脱粘，也不能确定层间裂纹Prakash认为热裂纹和夹杂物一样是易于发现的，而层间脱粘和纤维脱粘通常很难查出Nevadunsky等人则认为可发现大的气孔、裂纹和胶接接头中的疏松。倾向性的观点是可以发现夹杂物、气孔，而不能发现垂直于射线方向分布的脱粘和裂纹几个应用事例Roderick和Whitcomb采用高分辨率的玻璃感光板，并将射线源放到靠近硼环氧树脂分层处，可发现由疲劳试验产生的硼纤维钨芯丝的破裂Cooper等人采用一个高分辨率系统，对硼环氧树脂蒙皮—金属蜂窝飞机结构件中的腐蚀损伤成功地进行了定位AnneBirt等人使用一种利用渗透剂增强的射线照相法，选择合适的无机或有机渗透剂提高被测物的对比度，从而用低能X射线照相法就可对碳纤维和玻璃纤维复合材料进行检测x射线实时成像检测法X射线实时成像检测(Radioscopy)是利用x射线在穿透物体的过程中受到吸收和散射而衰减的性质，通过图像增强器在荧光屏上形成与试件内部结构和缺陷等信息对应的图像，由摄像系统把图像转换成视频信号输出，通过计算机图像处理系统，运用数字图像处理技术，使得质量得到显著提高的图像在彩色显示器上实时显示，进行分析处理，从而检测出物体内部缺陷的种类、大小、分布状况并作出评价在线其优点在于检测效率高，可实现缺陷的在线检测，且图像处理以后可进行缺陷自动评定；其局限性为得到的二维图像是样品在被测方向上的层叠影像，检测到的缺陷影像是累积效应产生的，而非缺陷的三维空间信息。几个应用事例已发展的射线实时成像系统主要有三类，即荧光屏、图像增强器和数字实时成像系统X射线实时成像系统对非金属材料中的裂纹、分层和夹杂物的检测灵敏度较高，而对小于一定尺寸(如φ1mm)的孔洞型缺陷则较差。Venkatraman等人在文献中将x射线实时成像法用于检测蜂窝结构区和胶接部分，结果显示胶接部分有微小孔洞Saue