探伤基础知识

第一章无损检测基础知识第一节无损检测概述（一）无损检测的定义无损检测（NDT）是一门综合性的应用科学技术，它是在不改变或不影响被检对象使用性能的前提下，借助于物理手段，对其进行宏观与微观缺陷检测，几何特性度量、化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就其使用性能做出评价的一门学科。（二）无损检测的作用1．无损探伤对产品质量作出评价。无论是铸件、锻件、焊接件、钣金件或机加工件以至非金属结构都能应用无损检测技术探测它表面或内部缺陷，并进行定位定量分析。2．材料检测用无损检测技术测定材料的物理性能和组织结构，能判断材料的品种和热处理状态，进行材料分选。3．几何度量产品的几何尺寸、涂层和镀层厚度、表面腐蚀状态、硬化层深度和应力密度都能用无损检测技术测定，根据测定结果利用断裂理论确定是否进行修补和报废处理，对产品进行寿命评定。4．现场监视对在役设备或生产中的产品进行现场或动态检测，将产品中的缺陷变化信息连续的提供给运行和生产部门实行监视。在高温、高压、高速或高负载的运行条件下尤其需要无损检测。例如压力容器和钢轨的探伤等。（三）无损检测的特点1．不破坏被检对象。2．可实现100%的检验。3．发现缺陷并做出评价，从而评定被检对象的质量。4．可对缺陷形成原因及发展规律做出判断，以促进有关部门改进生产工艺和产品质量。5．对关键部件和关键部位在运行中作定期检查，甚至长期监控以保证运行安全，防止事故发生。（四）无损检测的发展早期的无损检测称为无损探伤（NDI），它的作用是在不损坏产品的前提下发现人眼无法看到的缺陷，以满足工程设计中的强度要求。第二阶段称为无损检测（NDT），这个阶段始于70年代，它不但检测最终产品，而且要测量各种工艺参数，制成工件后还需知道它的组织结构、晶粒大小和残余应力等。第三阶段称为无损评价（NDE），尤其对航空、航天、核电、能源、交通、石油和化工等方面的机械产品，在加强检测同时注重产品质量的评价，确保每一件产品都是合格的。在工业发达国家已从一般无损评价发展到自动无损评价，采用计算机来进行检测和评价，尽可能减少人为因素的影响，例如钢轨探伤车。二、常用无损探伤方法*无损探伤是无损检测（包括探伤、测量、评价）的一个重要组成部分，它是对材料、工件或组件进行非破坏性检测和分析，以发现材料和构件中非连续性宏观缺陷（如裂纹、夹渣、气孔等）为主要目的的检验。无损探伤的方法种类较多，在实际应用中较普遍的为超声探伤、射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤五种常规方法.除此之外，还有红外监测、声振检测、激光全息摄影、微波探伤、同位素射线示踪等非常规探伤技术（一）射线探伤（RT）射线通常指Χ射线、γ射线、α射线、β射线和中子射线等，其基本原理（图1－1）：射线在穿过物质的过程中，会受到物质的散射和吸收作用，因物体材料、缺陷和穿透距离的不同，射线强度将产生不同程度的衰减，这样，当把强度均匀的射线照射到物体的一侧，使透过的射线在物体另一侧的胶片上感光，把胶片显影后，得到与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片。通过对图像的观察分析，最终确定物体缺陷的种类、大小和分布情况。射线探伤适用于体积形缺陷探测。如气孔、夹碴、缩孔、疏松等，对片形缺陷检测较难。图1－1（1T1）缺陷的射线照相（二）磁粉探伤（MT）磁粉探伤是指把钢铁等铁磁性材料磁化后，利用缺陷部位所发生的磁极吸附磁粉的特性，显示缺陷位置的方法。磁粉探伤仅适用于铁磁材料的表面或近表面缺陷的检测，其探伤灵敏度高低受试件表面光洁度、缺陷形状和取向、磁化方法和范围等影响。磁粉探伤能确定缺陷的位置、大小和形状，但对缺陷深度确定较难。磁粉探伤的方法可分为连续法和剩磁法两种。图1－2磁场的形成（三）渗透探伤（PT）渗透探伤是指将溶有荧光染料（荧光探伤）或着色染料（着色探伤）的渗透液施加在试件表面，渗透液由于毛细作用能渗入到各型开口于表面的细小缺陷中，此时清除附着在表面的多余渗透液，把工件表面多余的渗透液清洗干净，但不得把已深入缺陷内的渗透液清洗掉，然后经干燥和施加显像剂后，在黑光或白光下观察，缺陷处可分别相应地发出黄绿色的荧光或呈现红色，从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷。渗透探伤适用于检测金属和非金属材料表面开口的裂纹、折叠、疏松、针孔等缺陷。它能确定缺陷的位置、大小和形状，但难于确定其深度，不适用于探测多孔性材料及材料内部缺陷。图1－3渗透探伤的基本操作过程（四）涡流探伤（ET）涡流探伤是将通有交流电的激励线圈靠近某一导电试件（图1－4），由于电磁感应作用，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈旋涡状流动的电流（涡流），此涡流产生磁场会影响原磁场的变化，从而引起线圈阻抗的变化，通过对线圈阻抗变化的测量，就可得知试件中产生的涡流状况，从而获悉与试件有关的一些参量。当试件内有缺陷时，涡流因流动途径的变化，使涡流磁场也相应变化，经试验线圈检出异常磁场的变化量，可获得缺陷的信息。涡流是交流电，在试件表面较多。涡流探伤主要适用于金属和石墨等导电材料的表面和近表面缺陷，通常能够确定缺陷的位置和相对尺寸，不适用于非导电材料的缺陷检测。图1－4（ET）涡流的产生在实际应用当中，射线探伤和超声波探伤适合于内部缺陷探测，而磁粉、渗透、涡流探伤则适合于表面缺陷探测，它们各有其优越性，选择哪一种探伤方法进行无损检测，必须结合缺陷具体情况合理配合使用，才会收到更好的效果。几种探伤方法的比较见表1－1。表1－1五种常规无损探伤方法比较探伤方法优点缺点适用范围射线1．适用于几乎所有材料2．探伤结果（底片）显示直观、便于分析3．探伤结果可以长期保存4．探伤技术和检验工作质量可以监测1．检验成本较高2．对裂纹类缺陷有方向性限制3．需考虑安全防护问题（如Χ、γ射线的传播）检测铸件及焊接件等构件内部缺陷，特别是体积型缺陷（即具有一定空间分布的缺陷），磁粉1．直观显示缺陷的形状、位置、大小2．灵敏度高，可检缺陷最小宽度约为1μm3．几乎不受试件大小和形状的限制。4．检测速度快、工艺简单、费用低廉5．操作简便、仪器便于携带1．只能用于铁磁性材料2．只能发现表面和近表面缺陷3．对缺陷方向性敏感4．能知道缺陷的位置和表面长度，但不知道缺陷的深度检测铸件、锻件、焊缝和机械加式零件等铁磁性材料的表面和近表面缺陷（如裂纹）渗透1．设备简单，操作简便，投资小2．效率高（对复杂试件也只需一次检验）3．适用范围广（对表面缺陷，一般不受试件材料种类及其外形轮廓限制）1．只能检测开口于表面的缺陷，且不能显示缺陷深度及缺陷内部的形状和尺寸2．无法或难以检查多孔的材料，检测结果受试件表面粗糙度影响3．难于定量控制检验操作程序，多凭检验人员经验、认真程度和视力的敏锐程度用于检验有色和黑色金属的铸件、锻件、粉末冶金件、焊接件以及各种陶瓷、塑料、玻璃制品的裂纹、气孔、分层、缩孔、疏松、折叠及其它开口于表面的缺陷涡流1．适于自动化检测（可直接以电信号输出）2．非接触式检测，无需耦合剂且速度快3．适用范围较广（既可检测缺陷也可检测材质、形状与尺寸的变化等）1．只限用于导电材料2．对形状复杂试件及表面下较深部位的缺陷检测有困难，检测结果尚不直观，判断缺陷性质、大小及形状尚难用于钢铁、有色金属等导电材料所制成的试件，不适于玻璃、石头和合成树脂等非金属材料超声波1．适于内部缺陷检测，探测范围大、灵敏度高、效率高、操作简单2．适用广泛、使用灵活、费用低廉1．探伤结果显示不直观，难于对缺陷作精确定性和定量2．一般需用耦合剂，对试件形状的复杂性有一定限制可用于金属、非金属及复合材料的铸、锻、焊件与板材第二节超声波探伤基础超声波探伤的原理：超声波探伤是依据定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，通过测量回波信息和透过声波强度变化来指示伤损的一种方法。一、超声波一般知识声音：是由于各种声源（如演奏小提琴时，声源即为被擦动的那根弦）的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动听觉神经，产生听觉。声源的振动有快有慢，通常用每秒内的振动次数即“频率”来衡量，单位为“赫兹”（符号为Hz），只有当频率在一定范围内的振动才能引起听觉。人们把能引起听觉的机械振动称为声波，频率大致在20Hz～20kHz（即20000Hz，1kHz＝1000Hz）。频率低于20Hz的机械波称为次声波。一、超声波一般知识频率高于20kHz的机械波称为超声波（用于探伤的超声波频率范围为0.2～25MHz，其中最常用的频段为0.5～10MHz）。超声波是人耳听不到的。生活当中，蝙蝠、秋虫和海豚等却能听见并可用超声波传递信息。尤其是蝙蝠，它能发射超声脉冲，并能接受和识别从电线等障碍物或昆虫等反射回来的波，因此它在飞行时不会碰撞障碍物。超声波探伤大多采用的就是像蝙蝠这样的脉冲反射形式，这种反射波又叫回波。超声波探伤可检查金属材料、部分非金属材料的表面和内部缺陷。因此，它被广泛地应用于无损探伤。超声波探伤的优点（1）指向性好超声波波长很短，像光波一样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺陷定位。（2）穿透力强超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传播时，其穿透能力可达数米。（3）灵敏度高一个存在于钢中的空气分层厚度为10－6mm，反射率可超过21%，当分层厚度在10－5mm以上时，反射率可超过94%。（4）适用面广可检测金属、非金属、复合材料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表面各种取向的缺陷。（5）高效低价检测速度快，在较短的时间内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和耦合剂。超声波探伤的缺点（1）检测结果受人为影响对试件中缺陷的发现与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和判断。（2）探测面状态影响检测探测表面要求制备，不良的探测面影响伤损检测灵敏度。（3）工件状态影响检测结果工件形状过于复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有一定的影响。（4）定量精度差探测出缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。（二）超声波的产生人们把声源振动在介质（如空气等）中的传播过程，称为波动，简称波。波是物质的一种运动形式，可分为电磁波和机械波两类。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程，如无线电波、红外线等，机械波是指机械振动在弹性介质中的传播过程，如水波、超声波等。产生机械波需要两个必要条件：一是要有作机械振动的振源；二是要有能传递机械振动的弹性介质。超声波探伤是利用某些压电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来实现超声波的发生和接收。超声波在传播过程中，实际上只是振动能量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点本身仅限于平衡位置附近振动。（三）超声波的类型超声波的分类方法1．按质点的振动方向分类根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、兰姆波等。它们的比较如表1－2所示。几种波的比较表1－2波的类型简图质点振动特点传播介质应用纵波L介质质点振动方向平行于波的传播方向固体、液体和气体钢板、锻件探伤等横波S介质质点振动方向垂直于波的传播方向固体焊缝、钢管探伤等表面波R在介质表面传播时介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向固体钢板、锻件、钢管探伤等兰姆波对称型（S型）薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中心的椭圆运动固体（厚度与波长相当的薄板）薄板、薄壁钢管（﹤６㎜）非对称型（A型）薄板中心质点作横向运动，上下表面作相位相同的椭圆运动固体（厚度与波长相当的薄板）薄板、薄壁钢管（﹤６㎜）2．按振动持续时间分类根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种（图1－5）。连续波是指波源持续不断地振动所辐射的波，脉冲波则指波源振动持续时间很短、间歇辐射的波。图1－5连续波与脉冲波3．按波的形状分类波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位