第4講材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè)8超聲波檢測(cè)方法課件

1、第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 材 料 概 論 李 陽(yáng)東北大學(xué)2019 年 11 月 第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 4.1 光學(xué)顯微鏡、定量金相分析技術(shù)4.2 X射線衍射分析4.3 掃描電鏡、透射電鏡分析4.4 表面成分分析4.5 電子顯微技術(shù)的新進(jìn)展4.6 差熱分析4.7 超聲波檢測(cè) 4.7 超聲波檢測(cè)方法 超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 超聲波發(fā)射聲場(chǎng)與規(guī)則放射體的回波聲壓 儀器、探頭和試塊 超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù) （一） 超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ)物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作住復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。某質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)內(nèi)振動(dòng)能激發(fā)附近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播過(guò)程，稱為波。聲波是一種在氣體、液

2、體、固體中傳播的彈性波。它分為次聲波、可聞聲波、超聲波及特超聲波，其頻率界限如圖。 一、超聲波的一般概念1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （1）超聲波方向性好。在材料檢測(cè)中，使用超聲波的頻率為毫米數(shù)量級(jí)。它可以像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射，猶如一束手電筒燈光可以在黑暗中尋找所需物品一樣在材料中發(fā)現(xiàn)缺陷。（2）超聲波能量高。超聲波的頻率遠(yuǎn)高于聲波，而聲強(qiáng)與頻率的平方成正比，因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。（3）穿透力強(qiáng)。超聲波在大多數(shù)材料中傳播時(shí)，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在金屬材料中穿透能力可達(dá)數(shù)米。在一些非金屬材料、復(fù)合材料中穿透能

3、力也可達(dá)一米，這是其它檢測(cè)方法無(wú)法比擬的。（4）能在異質(zhì)界面產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。在超聲波檢測(cè)中，遇到材料的異變界面，超聲波要產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （1）縱波 L：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向一致的波，稱縱波，它能在固體、液體、氣體中傳播。 2超聲波的波形第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （2）橫波 S：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，稱橫波，它只能在固體中傳播。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （3）表面波R：當(dāng)材料介質(zhì)受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波。它是瑞利1887年首光提出來(lái)的，因此表面波又稱瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓

4、長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運(yùn)動(dòng)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波和橫波的合成，因此表面波只能在固體介質(zhì)中傳播，且表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （4）板波：在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ牟ǎQ為板波。按介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。SH波：SH波是水平偏振的橫波在薄板中傳播。薄板中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面的橫波。蘭姆波：蘭姆波又分為對(duì)稱型(S型)和非對(duì)稱則(A型)。對(duì)稱(S型)蘭姆波的特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)相位相反、并對(duì)稱于中心。非對(duì)稱

5、(A型)蘭姆波特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，相位相同，不對(duì)稱。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 3超聲波的傳播速度（1）氣體和液體中的聲速第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （2）固體中的聲速第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 二、超聲場(chǎng)的特征量 1聲壓 p超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng) p1與沒(méi)有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng) p0 之差稱為該點(diǎn)的聲壓，用 p 表示 p p1 p0 對(duì)于平面波，它的波動(dòng)方程可以證明第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2聲阻抗 Z介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓 p 與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度 V 之比稱為聲阻抗，用 Z 表示聲阻抗表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。同一聲壓下，Z 越大，質(zhì)點(diǎn)的振

6、動(dòng)速度越小。不同的介質(zhì)有不同的阻抗，同一介質(zhì) p 傳播速度不同，阻抗也不同。同時(shí)，溫度對(duì)阻抗也有一定的影響。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能，稱為聲強(qiáng)，用 I 表示。3聲強(qiáng) I平面波聲強(qiáng)超聲場(chǎng)中，聲強(qiáng)與聲壓平方成正比，與頻率平方成正比。由于超波的頻率很高，故超聲波的聲強(qiáng)很大，這是超聲波可以用于檢測(cè)的重要依據(jù)。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 通常規(guī)定引起聽(tīng)覺(jué)的最弱聲強(qiáng) I0 = 10-16 W/cm2為聲強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)。在聲學(xué)上稱為“聞閾”，即 f = 1000Hz 時(shí)引起人耳聽(tīng)覺(jué)的聲強(qiáng)最小值。 某一聲強(qiáng) I 與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng) I0 之比 I / I0 ，取常用對(duì)數(shù)得到二者相差的數(shù)量級(jí)，稱為聲

7、強(qiáng)級(jí)，用 L1 表示。 4. 分貝第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 三、超聲波垂直入射到異質(zhì)界面上的反射和透射當(dāng)超聲波垂直人射到足夠大的光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與人射方向相同的透射波，如圖。反射波與透射波的聲壓(或聲強(qiáng))是按一定規(guī)律分配的。這分配關(guān)系用反射率和透射率來(lái)表示。界面的聲壓反射率，記為1平界面第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 界面的聲壓透射率聲強(qiáng)反射率聲強(qiáng)透射率第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2薄層界面（1）當(dāng) Z1 = Z3 Z2，對(duì)均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （2）當(dāng) Z1 Z3 Z2，對(duì)非均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層

8、第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 四、 超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射1波型轉(zhuǎn)換和反射、折射定律 當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，除了產(chǎn)生與入射波同類型的反射波和折射波以外，還會(huì)產(chǎn)生與入射波不同類型的反射波和折射波，此現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象只發(fā)生在斜入射的界面，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。 由于液體、氣體介質(zhì)中只能傳播縱波，只有固體介質(zhì)才能傳播縱波和橫波，波型轉(zhuǎn)換只可能在固體中發(fā)生，如圖。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，反射波和折射波的傳播方向由反射、折射定律來(lái)確定 利用反射、折射定律可以求得縱波傾斜入射時(shí)，橫波反射角 S 與縱波入射角 L 的關(guān)

9、系為同理可求得縱波傾斜入射時(shí)，縱波折射角 L 和橫波折射角 S 同縱波入射角 L 的關(guān)系第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2臨界角第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （二）超聲波發(fā)射聲場(chǎng)與規(guī)則放射體的回波聲壓一、縱波發(fā)射聲場(chǎng)1. 波源軸線上的聲壓分布第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 聲源附近的軸線上聲壓上下起伏變化，存在若干個(gè)極大極小值。距聲源的距離越近，聲壓極大極小值的點(diǎn)就越密。聲學(xué)上把由子波的干涉在聲源附近的軸線上產(chǎn)生一系列極大極小值的區(qū)域稱為超聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，即菲涅耳區(qū)。聲源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至聲源的距離稱為近場(chǎng)長(zhǎng)度，用N表示。近場(chǎng)區(qū)存在聲壓極大極小值，可能引起誤判，超聲波檢測(cè)中盡量避免在近場(chǎng)區(qū)定量。第4講 材料的

10、結(jié)構(gòu)檢測(cè) x N 的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，又稱夫瑯和費(fèi)區(qū)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中，軸線上的聲壓隨距離的增加而單調(diào)減少。超聲波探頭定向輻射超聲波的性質(zhì)稱為波的指向性。波束指向性的優(yōu)劣常用半擴(kuò)散角 0 來(lái)表示。它是指定向輻射的錐角之半，即波束軸線與邊緣之間的夾角，如圖。 超聲波的能量主要集中在 20 以內(nèi)的錐形區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域稱為主波束，主波束邊緣聲壓為零。副聲束出現(xiàn)在波源附近，它的能量低，傳播距離短。 圓晶片輻射的聲波束半擴(kuò)散角為第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2. 矩形聲波源輻射的縱波聲場(chǎng)長(zhǎng)為 a ，寬為 b 的矩形聲波源作活塞振動(dòng)，當(dāng) x3N 時(shí)，波束軸線上的聲壓為第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 二、規(guī)則形狀反射體的回波聲壓

11、目前應(yīng)用超聲波技術(shù)檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷，是根據(jù)缺陷的反射回波的高低確定缺陷大小的。 實(shí)際檢測(cè)中，由于使用A型檢測(cè)儀及缺陷性質(zhì)、表面狀況、幾何形狀等多種復(fù)雜因素影響無(wú)法真實(shí)檢測(cè)缺陷的大小。因此，常常用“當(dāng)量尺寸”表示缺陷的大小。 在相同的檢測(cè)條件下，如果缺陷反射回波聲壓與某種人工反射體回波聲壓相同，兩者反射波高相等，則規(guī)則反射體的尺寸即為缺陷的當(dāng)量尺寸。常用的規(guī)則反射體有平底孔、長(zhǎng)橫孔、球孔、大平底等。通常計(jì)算之前作一些理想假定。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 在 x3N 時(shí)，由圓盤聲源軸線上的球面波聲壓公式得平底孔表面入射波聲壓為 1平底孔(圓片形缺陷)的回波聲壓平底孔回波聲壓為平底孔 1 和2 兩回波波

12、高的分貝差為第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2長(zhǎng)橫孔(圓柱形)的回波聲壓第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 3球孔(球形缺陷)的回波聲壓第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 4大平底回波聲壓第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 三、AVG曲線 描述反射體至波源的距離，反射信號(hào)的幅度(習(xí)慣用儀器增益值表示)、反射面積當(dāng)量大小三者之間相互關(guān)系曲線稱為AVG曲線，又稱為距離波幅當(dāng)量曲線。AVG是德文距離(Absband)、增益(Versbtarkung)、大小(Gre)三者的字頭。 A代表反射體至波源的距離，V代表反射體回波信號(hào)幅度，G代表反射體的當(dāng)量大小。 AVG曲線比較直觀地反映了各類反射體回波波高與反射距離當(dāng)量大小之間的變化規(guī)律。利用AVG

13、 曲線來(lái)調(diào)整探傷靈敏度和對(duì)缺陷定量是比較方便的。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 通用AVG曲線第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 平底孔實(shí)用AVG曲線第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （三）儀器、探頭和試塊 超聲波檢測(cè)儀是超聲波檢測(cè)的主要設(shè)備，它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器探頭，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)一定的方式顯示出來(lái)，從而得到被檢材料內(nèi)部有無(wú)缺陷及缺陷位置和大小等信息。 由于檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)目的、檢測(cè)場(chǎng)合、檢測(cè)速度等方面的要求不同，因而有各種不同的檢測(cè)儀。一、 超聲波檢測(cè)儀第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) A型顯示是一種波形顯示，檢測(cè)儀熒光屏的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間(或距離)，縱坐標(biāo)代表反射波的

14、幅度。 由反射波的位置可以確定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估計(jì)缺陷的大小。1. A型顯示檢測(cè)儀第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2. B型顯示檢測(cè)儀 B型顯示是一種圖像顯示。檢測(cè)儀熒光屏的橫坐標(biāo)是靠機(jī)械掃描來(lái)代表探頭的掃描軌跡，縱坐標(biāo)是靠電子掃描來(lái)代表聲波的傳播時(shí)間(或距離)。 因而可直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 3. C型顯示檢測(cè)儀C型顯示也是一種圖像顯示，檢測(cè)儀熒光屏的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都是靠機(jī)械掃描來(lái)代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示，因而，當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)，熒光屏上便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖像(即從探頭方向看的投影)，

15、但不能顯示缺陷的深度。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 二、探頭 超聲波檢測(cè)中，超聲波的產(chǎn)生和接收過(guò)程是一種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)探頭實(shí)現(xiàn)的，探頭的作用就是將電能轉(zhuǎn)換為聲能(產(chǎn)生超聲波)和將超聲能轉(zhuǎn)換為電能。 將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的器件稱為換能器。探頭是一種電-聲-電能量轉(zhuǎn)換器件。因此，探頭也稱為超聲換能器或電聲換能器。 超聲波檢測(cè)中，由于被測(cè)材料的材質(zhì)、形狀不同，檢測(cè)目的、條件的不同，而使用不同的探頭。主要有直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙晶探頭、水浸探頭、聚焦探頭，還有為檢測(cè)特殊目的所用的掃描切換探頭、列陣探頭、輪式探頭、扁平探頭等。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 1直探頭第

16、4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2斜探頭第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 三、試塊1試塊的種類 超聲波檢測(cè)中使用的試塊，根據(jù)使用目的和要求，其形式和種類是多種多樣的，對(duì)這些試塊按不同方式可以進(jìn)行不同的分類。 標(biāo)準(zhǔn)試塊是由權(quán)威機(jī)關(guān)規(guī)定的試塊。它的材質(zhì)、形狀和尺寸以及表面狀態(tài)都是由權(quán)威部門作了統(tǒng)一的規(guī)定，作為該機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)試塊，如國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)試塊 IIW，IIW2 等。 標(biāo)準(zhǔn)試塊主要用于測(cè)試和校驗(yàn)檢測(cè)儀和探頭性能，也可用于調(diào)整檢測(cè)范圍和確定檢測(cè)靈敏度。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 2試塊的用途(1)測(cè)試和校驗(yàn)檢測(cè)儀及探頭的性能，如組合靈敏度、垂直線性、水平線性、盲區(qū)、分辨力等。(2)確定和校驗(yàn)檢測(cè)靈敏度。(3)評(píng)價(jià)缺陷大

17、小，對(duì)被測(cè)工件評(píng)級(jí)和判廢。(4)調(diào)節(jié)檢測(cè)范圍，確定缺陷位置。(5)測(cè)量材質(zhì)衰減和確定耦合補(bǔ)償。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) （四）超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù)一、超聲波檢測(cè)方法概述共振法反射法穿透法液浸法直接接觸法垂直探傷法斜角探傷法第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 1. 共振法探傷 若聲波(頻率可調(diào)的連續(xù)波)在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長(zhǎng)或半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，由于入射波和反射波的相位相同，則引起共振，因而儀器可顯示出共振頻率點(diǎn)，由相鄰的兩個(gè)共振頻率之差算出試件的厚度。 當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷時(shí)，將改變?cè)嚰墓舱耦l率。共振法常用于測(cè)厚。第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化

18、狀況，來(lái)判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)探頭，置于工件相對(duì)面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。 在探測(cè)中，當(dāng)工件內(nèi)無(wú)缺陷時(shí)，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個(gè)變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)出來(lái)。2. 穿透法探傷發(fā)射探頭接收探頭高頻發(fā)生器工件放大器顯示穿透法探傷示意圖第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同，來(lái)探測(cè)缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說(shuō)明檢測(cè)原理。 3. 反射法探傷 高頻發(fā)生器工件缺陷F探頭T接收放大TFBB反射法探傷示意圖第4講 材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè) 高頻發(fā)生器工件缺陷F探頭T接收放大TFBB反射法探傷示意圖頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖(發(fā)射波)加在探頭上，激勵(lì)壓電晶體振蕩，使之產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷F時(shí)反射回來(lái)；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B，也反射回來(lái)。由缺陷及底面反射回來(lái)的超聲波被探頭接收時(shí)，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波f、缺陷