常用检测技术

第三章材料成形及控制工程常用检测技术第一节零件应变和应力状态的检测测定应力状态常采用电阻应变法。该方法是先用应变片测出应变，然后用虎克定律求出其应力。此方法仅适用于弹性平面问题，即测定零件表面的弹性应力和应变。一、应变检测和应力计算1、线应力状态对于单向应力状态，只要将应变片沿应力方向粘贴，测出应变值，即可求出应力=E式中，E—被测零件材料的弹性模量。2、主应力方向已知的平面应力状态将应变片沿主应力1和2方向各贴一片（图3-1，P42），分别测出其应变值1和2，然后用广义虎克定律求出主应力1和2以及最大切应力max式中，—被测零件材料的泊松比。11222212max122()1()1()2(1)EEE3、主应力方向未知的平面应力状态将为计算方便，一般采用方向夹角一定的应变花：直角型应变花（图3-2，P43），三角型应变花（图3-3，P43），分别测出其应变值1、2、3。则主应力max、min与主方向夹角p和最大切应力max式中的系数A、B、C见表3-1（P43）max22min22max11112pEEABCEBCCarctgB4、测点选择、布片和选片原则（1）测点的选择应考虑如下几个问题：1）最大应力点一般都产生在危险截面或应力集中的地方。2）如果最大应力点难以确定，或者需要了解构件应力分布的全貌，一般都在所研究的线段上比较均匀地布置5~7个测点。3）对于构件上开有孔、凹槽或截面急剧变化等一些产生应力集中的区域，测点应适当的加多，以了解其应力变化情况。4）为了减少测点数目，可以利用结构与载荷的对称性和结构边界的特殊性况。5）动态测试应在静态测试的基础上进行，测点数目要比静态的少。动态测点一定要选在能反映构件动态性质的关键部位。二、残余应力检测对残余应力的理论计算是一个非常困难的问题。因此工程上主要依靠残余应力的测定来求得残余应力的数据。目前，测定残余应力的方法归纳起来可分为全破坏、局部破坏和非破坏三大类。用于金属结构和零件非破坏的电测方法主要有盲孔应力释放法和磁弹性法。1、盲孔应力释放法原理：在均匀连续受力的板上钻一通孔。利用图3-4（P45）布置的电阻应变片求出应力1和2（P45），然后再通过标定试验获得1和2公式中的A、B系数对通孔的理论解进行修正。其优点如下：1）只需在工件的表面上钻一个小而浅的盲孔，实测后，可将盲孔磨掉，保证结构完好。2）检测的工作量少，速度快。3）采用小标距电阻应变片测得的残余应力接近于点应力，误差比较小。2、磁弹性法原理：利用铁磁物质在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来检测残余应力,即通过测得某一小范围内各个方向磁导率的变化，来反映出这一区域的应力状态。第二节材料表面性能电测技术一、表面粗糙度测量1、触针式表面轮廓仪传统的触针式表面轮廓仪一般是二维表面粗糙度检测装置(图a));图b)为计算机控制的数字表面轮廓仪。传感器驱动装置放大器放大倍率选择滤波器截断长度选择Ra读数计笔式记录仪触针a)传统的表面轮廓仪传感器驱动装置放大器放大倍率选择滤波器截断长度选择A/D转换器触针b)计算机控制的表面轮廓仪计算机打印机在现代电子与计算机高度发展的今天，决定检测精度、可靠性、检测范围的关键部件是触针本身以及传感器与驱动装置。（1）触针理论上触针针尖半径越小越好，它可分辨出更细微波长的平面度。但实际上针尖半径不可能做得无限小。针尖的形状和半径均有国际标准。（2）传感器最常用的两种为：线性差动变压器（图3-12a,P51)和激光干涉式传感器（图3-12b,P51)。（3）驱动装置使被检测件与触针在水平方向上发生相对运动：一般有电动机+齿轮齿条、电动机+滚珠丝杠、电动机+皮带与滑台等。2、检测要求与条件（1）采样间隔是对检测轮廓量化时在水平方向的量化间隔。通常采样间隔是采用等间隔的形式，如图3-14（P52）所示的。（2）取样长度是表面分析与计算的基本长度，粗糙度的参数计算一般都是定义在一个取样长度上，如图3-14（P52）所示的取样长度由l表示。（3）截断长度模拟滤波器的截断长度B（模拟系统中实现的取样长度）即为取样长度l（物理概念）。对于一个给定的截断长度B，大于该长度的粗糙度分量将被滤掉或衰减；小于该长度的分量将被保留。图3-15a（P53）所示检测信号，图3-15b为被滤掉的分量（中线基准），图3-15c则为滤波后的粗糙度信号。截断长度（或取样长度）在检测时，应根据加工表面性质的不同，选用不同的标准。（4）评价长度模对一个表面的分析需从几个取样长度的统计平均意义上来考虑。若干个取样长度的总和就称为评价长度。（5）行程指触针在一次检测时的水平运动距离。理论上行程等于评价长度，但实际上应包含加减速所需的行程以及评价长度所具有的行程。（6）针尖半径针尖半径和针尖角均具有国际标准。对于较光滑的表面应采用小针尖半径的触针，反之，应采用大针尖半径的触针。（7）检测力触针接触于表面的作用力。国际标准中推荐的静态测量力与动态变化力范围见表3-2（P54）。（8）检测速度为了预防在检测过程中触针遇到波峰时被弹起或崩断，厂家一般都推荐了比较保守的检测速度，约为0.1~1mm/s。二、覆层厚度的检测通常是利用无损检测（磁法、涡流法、超声法、射线法、光学法、电容法、微波法、热电势法和石英振荡法等）。磁法是利用覆层和基体之间材料的磁导率不同；涡流法是利用材料的电导率不同；射线法是利用材料原子系数不同对射线的吸收系数和反散射系数也不同，等等各种方法应视具体条件和要求而加以选用，如基体与覆层为同一类型材料时，则用磁法和涡流法检测覆层厚度比较困难，当两者的物理参数都十分相近时就几乎无法检测。图3-16（P55）为涡流法渗氮层厚度测量电路方块图，其基本原理是利用一个载有高频电流线圈的探头，在测试样表面产生高频磁场，由此引起金属内部产生涡流，此涡流产生的磁场又反作用于探头内线圈使其阻抗发生变化。第三节工件表面缺陷电测技术一、磁力探伤法1、原理被测工件材质：导磁性金属。原理：若工件中有缺陷，在缺陷处，磁力线将发生弯曲，在工件表面将发生漏磁现象。如在工件表面撒上磁粉，则在表面漏磁处将产生磁粉聚集和定向现象，表明此处有缺陷存在。2、磁力探伤方法（1）纵向磁化法：导在被检工件外面绕以线圈并通电磁化，或将电磁铁两极放在垂直于工件轴向的工件表面上，此时，在工件内会产生与工件轴向平行的磁力线簇。它分为以下三种：1）铁轭磁化法将电磁铁轭夹住工件，通电使工件磁化（图3-20a,P57)。2）线圈开端磁化法在被检工件上绕以数圈导线，通电使工件磁化（图3-20b)。3）线圈闭端磁化法除在被检工件上绕以线圈外，还将铁轭与工件接触（图3-20c)。（2）周向磁化法：纵向磁化法产生的磁力线沿轴向分布，不易检测轴向方位缺陷。为此，必须采用周向（横向）磁化法检验。它分为以下四种：1）直接通电磁化法对被检工件直接通以低压大电流（图3-21a,P57)。2）中间穿棒磁化法如果被检工件为圆管形，可用非铁磁性导体插入工件空心处并通以电流，使空心工件表面磁化（图3-21b)。3）电缆磁化法电流通过穿绕环形工件的专用电缆，探测工件表面沿轴向分布的缺陷（图3-21c)。4）局部通电磁化法对于大型工件，可对被检部位直接通电进行局部磁化。（2）复合磁化法：采用单一磁化法难以检验那些与磁化方向成一定角度的缺陷。因此先进的磁力探伤仪一般要对工件施以纵向和周向磁化法，称为复合磁化法。它分为以下二种：1）交、直流复合磁化法将被检工件置于通以直流电的螺管线圈中或夹于铁轭的两极之间，同时又对工件进行交流周向磁化（图3-22,P58)。2）三相半波整流复合磁化法利用相位差为120OC的三相半波整流电流，在三个相互垂直的方向上对工件进行磁化。3、缺陷的检验方法及缺陷的特征（1）剩余磁场检验法：对被检工件瞬时（小于0.5s)，断电后浇注磁悬液2~3次，或将工件浸入磁悬液中10~20s，缓慢取出，静止1~2min后观察表面形态变化。（2）外加磁场检验法对难以用剩余磁法检验的工件，必须考虑采用外加磁场检验。分湿法和干法两种。1）湿法充磁与施加悬浮液同时进行。2）干法将磁粉喷成悬浮状态并轻轻地漂浮到已磁化的区域中，然后进行检查。（3）磁法探伤常见缺陷的特征：常见缺陷有大小不等、形状不一、分布不规则的裂纹、夹渣、白点、疏松等。正确判断（防止伪缺陷）应结合工艺过程来综合考虑。二、涡流探伤法1、涡流探伤法原理及设备原理：当载有交变电流的检测线圈靠近导电工件时，由于线圈磁场的作用，工件中将会感生出涡流（其大小等参数与工件中的缺陷等有关），而涡流产生的反作用磁场又将使检测线圈的阻抗发生变化。因此，在工件形状尺寸及探测距离等固定的条件下，通过测定探测线圈阻抗的变化，可以判断被测工件有无缺陷存在。（1）涡流探伤仪由振荡器、探头（检测线圈及其装配件）、信号输出电路、放大器、信号处理器、显示器、电源等几部分组成。其原理方框图如下图所示。振荡器信号输出电路放大器信号处理器放大器被测工件检测线圈电源涡流检测仪原理方框图振荡器产生的各种频率的振荡电流流经检测线圈，线圈产生交变磁场并在工件中感生涡流。受工件导电能力影响的涡流又会使检测线圈的电性能发生变化。（2）涡流检测仪的检测线圈由按检测线圈与被测工件的相互位置关系可分为如下三类：1）穿过式线圈将工件插入并通过线圈内部进行检测。2）内通过式线圈插入工件内部进行检测。3）放置式线圈（探头）检测时将线圈置于工件表面。2、管件涡流探伤用于管件检测的穿过式线圈如图3-24（P61）所示；用于管件检测的探头式线圈如图3-25（P61）所示。第四节工件内部缺陷电测技术目前，用于金属内部缺陷探测的主要方法是X射线法和超声波法。一、X射线探伤1、原理（图3-27，P62）射线穿过工件缺陷部分和无缺陷部分以后的射线强度比称为“明暗度”，以公式表示为：()00AxcAaJJeexJJe其中，—X射线在该材料中的衰减系数；x—缺陷的厚度A—吸收层厚度2、X射线电视探伤技术（图3-28，P62）X射线电视探伤的穿透能力，取决于X射线机的功率。功率越大，穿透能力越强。二、超声波探伤1、原理超声波探头发射出的超声波如果遇到缺陷将被反射回来，由原探头或接收探头接收，变成电脉冲信号，经过放大器和扫描显示，就可以检验出缺陷的存在并进行定位和定性分析。2、超声波探伤设备按显示缺陷的方式，超声波探伤仪分A型（显示缺陷的位置与大小）、B型（显示出缺陷的大体形态）和C型（显示出缺陷的平面图形）。目前，工业探伤中应用最多的是A型脉冲反射式超声波探伤仪（电路组成框图如图3-29，P63）。3、超声波探伤对缺陷的判断（1）缺陷定位1）纵波计算法（图3-30，P64）00TllT00TllT其中，T0—荧光屏上、下边界脉冲间距；T—荧光屏上边界脉冲与缺陷脉冲间距；l0—工件厚度；l—缺陷与界面的距离。2）横波三角块比较法（图3-31，P65）当反射脉冲与缺陷脉冲位置重合时，记下探头的中心位置，量出有关的尺寸（h、l)，即可确定缺陷的实际位置。3）表面波探伤定位由于表面波是在工件表面或近表面传播的，因此根据移动探头时脉冲在扫描线上的游离位置即可知道缺陷的位置。（2）缺陷定量1）试块比较法比较从缺陷与试块上相应的人造平底孔缺陷反射回来的脉冲幅度，如果缺陷脉冲与平底孔脉冲幅度相等，则缺陷大小相当于试块上某一平底孔的大小。2）半波高度法半波高度法的本质是，超声波脉冲在缺陷边缘反射时其能量减半。无论是纵波探伤还是横波探伤，发现缺陷后，先找出最大反射脉冲幅度A，再向四周继续移动探头，直至声束中心遇到缺陷边缘，使反射脉冲幅度为0.5A时记下探头中心位置，则反射脉冲幅度为0.5A的两点间最大距离为实际缺陷的尺寸，如图3-32所示（P65）。（3）缺陷定性根据荧光屏上的脉冲形状难以判断缺陷的性质，必须进行综合分析：1）不同加工工艺，缺陷不同；2）工件的材料不同，缺陷不同；3）缺陷尺寸不同，其性质也不同；