故障診斷7第七章-【簡化版】無損檢測技術(shù)

第七章無損檢測技術(shù)所謂無損檢測，就是利用物質(zhì)因存在缺陷而使其某一物理性能發(fā)生變化的特點，實現(xiàn)在不破壞或不改變被檢物體的前提下，完成對該物體的檢測與評價的技術(shù)手段的總稱。無損檢測包括超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測以及聲發(fā)射檢測等多種方法。1第一節(jié)常見缺陷的分類描述第二節(jié)超聲波檢測第三節(jié)射線檢測第四節(jié)磁粉檢測第五節(jié)滲透檢測第六節(jié)渦流檢測第七節(jié)聲發(fā)射檢測

2第一節(jié)常見缺陷的分類描述

無損檢測主要是對材料或零件中缺陷的檢測。不同的缺陷種類有不同的最適應(yīng)的檢測方法與之對應(yīng)。3一、鑄件中常見的缺陷現(xiàn)象(1)氣孔(2)縮孔與縮松(3)夾砂與夾渣(4)裂紋(5)冷隔和澆不足(6)熔敷不良產(chǎn)生的缺陷(7)白點(發(fā)裂)(8)鼠尾(9)偏析4二、鍛件中常見的缺陷現(xiàn)象

(1)夾砂和夾渣

(2)縮孔和疏松

(3)金屬和非金屬夾雜物

(4)龜裂

(5)過熱

(6)過燒

(7)燒裂

(8)折疊

(9)白點5三、型材中常見的缺陷現(xiàn)象1．鋼板中常見的缺陷現(xiàn)象(1)分層與夾雜物(2)裂紋(3)皮下氣孔(4)表面缺陷2．棒鋼中常見的缺陷現(xiàn)象(1)裂紋(2)夾雜(3)表面缺陷

63．鋼管中常見的缺陷現(xiàn)象(1)外壁折疊(2)外壁劃痕(3)橫向裂紋(4)縱向裂紋7四、焊縫中常見的缺陷現(xiàn)象(1)裂紋(2)未焊透(3)未熔合(4)夾渣(5)夾雜(6)氣孔(7)咬邊(8)白點8五、使用與維修過程中常見的缺陷現(xiàn)象

(1)裂紋

(2)摩擦腐蝕

(3)氣蝕9第二節(jié)超聲波檢測一、超聲波檢測的物理基礎(chǔ)超聲波檢測就是先用發(fā)射探頭向被檢物內(nèi)部發(fā)射超聲波，用接收探頭接收從缺陷處反射回來(反射法)或穿過被檢工件后(穿透法)的超聲波，并將其在顯示儀表上顯示出來，通過觀察與分析反射波或透射波的時延與衰減情況，即可獲得物體內(nèi)部有無缺陷以及缺陷的位置、大小及其性質(zhì)等方面的信息。10(一)超聲波基礎(chǔ)1．超聲波的定義超聲波是一種依靠彈性介質(zhì)中的質(zhì)點而傳播的機(jī)械振動，即機(jī)械彈性波。因其頻率超過人耳所能聽見的聲頻段(16Hz～20kHz)而得名超聲波。無損檢測用的超聲波頻率范圍為0.2～25MHz，其中最常用的頻段為0.5～10MHz。

11超聲波的特性：

(1)指向性好

(2)穿透能力強

(3)能量高122．超聲波的分類(1)按質(zhì)點振動方向分根據(jù)波動傳播時介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向的相互關(guān)系的不同，可將超聲波分為縱波、橫波、表面波和板波等。這是超聲檢測中最常見的分類方法。13①縱波介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同的波稱作縱波，常用L表示。

縱波是當(dāng)彈性介質(zhì)的質(zhì)點受到交變的拉壓應(yīng)力作用時產(chǎn)生的，故又稱壓縮波或疏密波?？v波可在任何彈性介質(zhì)(固體、液體和氣體)中傳播。

14②橫波介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波稱作橫波，常用S或T表示。當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點受到交變剪切應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生剪切變形，形成橫波，故橫波又稱為切變波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。

15③表面波（瑞利波）介質(zhì)表面在受到交變應(yīng)力作用時產(chǎn)生的沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎQ為表面波，常用R表示。16表面波只能在固體表面?zhèn)鞑ァ⒈砻娌ǖ哪芰侩S距表面深度的增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時，其振幅降至最大振幅的0.37倍。因此，通常認(rèn)為，表面波檢測只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。17④板波在厚度與波長相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ牟ǚQ作板波。廣義上的板波也包括在圓棒、方管和管材中傳播的波，但通常所說的都是指狹義上的板波即蘭姆波。

18（2）按照持續(xù)時間的長短分①連續(xù)波②脈沖波圖7-1連續(xù)波和脈沖波(a)連續(xù)波；(b)脈沖波19

波陣面，是指同一時刻介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點所聯(lián)成的面；而波前則是指某一時刻波動所到達(dá)的空間各點所聯(lián)成的面；波線則是波的傳播方向線。20(3)按波形分所謂波形，即波陣面的形狀。根據(jù)波形的不同，通常把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。21

①平面波平面波的波陣面為相互平行的平面，其波源為一平面。平面波的波動方程為：22

②柱面波波陣面為同軸圓柱的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線。其波動方程為：23

③球面波

波陣面為同心球面的波稱為球面波，其波源為一點。球面波的波動方程為：243．超聲場及其特征參數(shù)充滿超聲波的空間或超聲振動所涉及的介質(zhì)部分稱為超聲場。描述超聲場的主要特征參數(shù)有聲壓、聲強、聲阻抗和波束指向性及半擴(kuò)散角等。25(1)聲壓超聲場中某一點在某瞬時所具有的壓強p1與該點沒有超聲波存在時的靜壓壓強p0之差稱作該點的聲壓，記做p，單位為帕斯卡(Pa)。26(2)聲強單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱作聲強，記做I，常用單位是W/cm2。27(3)聲阻抗介質(zhì)中某處的聲壓與該處質(zhì)點的振動速度之比稱作聲阻抗，常用Z表示，單位為g/cm2?s或kg/cm2?s。聲阻抗等于介質(zhì)密度ρ與聲速c的乘積，即Z=ρ?c。28(4)波束指向性及半擴(kuò)散角超聲波探頭定向輻射超聲波的性質(zhì)稱為波束指向性。波束指向性的優(yōu)劣常用半擴(kuò)散角γ來表示。半擴(kuò)散角γ是指超聲波定向輻射的半錐角即波束軸線與邊緣之間的夾角。29（二）超聲波的傳播特性1.超聲波的疊加、干涉和衍射（1）波的疊加原理（2）波的干涉（3）波的衍射

波在傳播過程中遇到障礙物時能繞過其邊緣，并繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱為波的衍射或繞射。30超聲波在傳播過程中遇到障礙物時，一方面產(chǎn)生反射和折射，另一方面產(chǎn)生繞射。繞射本領(lǐng)的大小取決于障礙物尺寸Df和波長λ的相對大小，即：當(dāng)Df

?λ時，幾乎只繞射而無反射；當(dāng)Df

?

λ時，幾乎只反射而無繞射；當(dāng)Df

≈λ時，則既反射又繞射。繞射使反射回波減弱，因此一般認(rèn)為超聲波檢測所能探測到的最小缺陷尺為λ

／2。312.超聲波的反射、衍射和波型轉(zhuǎn)換（1）超聲波垂直入射時的反射和透射聲壓反射率聲壓透射率Z聲阻抗32聲強反射率聲強透射率超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。33幾種常見界面上的聲壓、聲強反射和透射情況。①當(dāng)Zl>>Z2時，如鋼/空氣界面。計算可得：

r≈－1；t≈0；R≈1；T≈0。34②當(dāng)時Z1≈Z2時，r≈0；t≈1。如鋼的淬火部分與非淬火部分及普通碳素鋼焊縫的母材與焊接金屬之間的聲阻抗相差很小，一般約為1％。35

③超聲波垂直入射到某界面時的聲強反射率與從何種介質(zhì)入射無關(guān)。

36(2)超聲波傾斜入射時的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換①波型轉(zhuǎn)換當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時，除產(chǎn)生與入射波同類型的反射波和折射波之外，還會產(chǎn)生與入射波不同類型的反射波和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。37②反射、折射定律38對于縱波入射的固/固界面39對于橫波入射的固/固界面40在鋼中，縱波傳播速度為橫波速度的1.8倍，表面波傳播速度為橫波的0.9倍。41③臨界角臨界角描述了超聲波傾斜入射到單一平界面時的某種極限傳播特性，與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲學(xué)特性有關(guān)。(a)第一臨界角αⅠ

使縱波的折射角βL＝90°時的縱波入射角度αL的稱為第一臨界角，記為αⅠ。42(b)第二臨界角αⅡ

使橫波的折射角βS＝90°時的縱波入射角度αL的稱為第二臨界角，記為αⅡ。43(c)第三臨界角αⅢ

使縱波的反射角γL＝90°時的橫波入射角度αS的稱為第三臨界角，記為αⅢ

。44由上述臨界角的物理意義可知：①當(dāng)αL=αⅠ～αⅡ時，第二介質(zhì)中只存在有折射橫波而沒有折射縱波，這就是常用橫波探頭的設(shè)計依據(jù)；②當(dāng)αL>αⅡ時，第二介質(zhì)中既無折射縱波又無折射橫波，但在第二介質(zhì)表面形成表面波，這就是常用表面波探頭的設(shè)計依據(jù)。45超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和介質(zhì)的密度有關(guān)，對一定的介質(zhì)，彈性橫量和密度為常數(shù)，故波速為常數(shù)。不同的介質(zhì)，有不同的波速。超聲波波型不同時，介質(zhì)彈性變形型式不同，聲速也不一樣。因此超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要參數(shù)。46在無限大的固體介質(zhì)中，縱波聲速為：

在無限大的固體介質(zhì)中，橫波聲速為：在無限大的固體介質(zhì)中，表面波聲速為：細(xì)長棒中縱波聲速為：式中E——介質(zhì)的彈性模顯；

G——介質(zhì)的剪切彈性模量；

ρ——介質(zhì)的密度；

μ——介質(zhì)的泊松比。47在鋼中，縱波傳播速度為橫波速度的1.8倍，表面波傳播速度為橫波的0.9倍。48493．超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。(1)衰減的原因①擴(kuò)散衰減②散射衰減③吸收衰減50(2)衰減的表示方法

用底波多次反射的次數(shù)來表示超聲波的衰減。這種表示方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波(底波)的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少；底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。51(2)衰減的定量表示方法

對于平面波，其聲壓衰減規(guī)律為：52(2)衰減的定量表示方法

對于平面波，其聲強衰減規(guī)律為：53二、超聲波檢測設(shè)備穿過固體的超聲波可用來測量整個固體體積內(nèi)的材料性能及其變化。超聲波在材料中傳播時若遇到不連續(xù)性(裂紋、夾雜、氣孔、脫溶物、晶界、中間相邊界、空洞及錯位等)，就會發(fā)生能量衰減。通過測量這種能量衰減，可以測定出材料的不連續(xù)性。54超聲檢測的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾方面：①通用性：超聲方法可檢測的尺寸和幾何形狀范圍很廣，大多數(shù)無孔有彈性的材料(鋼、鋁、鈦、鎂和陶瓷等)都可以被穿透。②靈敏度和指向性：使用高頻窄聲束，可以檢測和定位極小的不連續(xù)性；可以檢出厚度幾乎為零的盤狀不連續(xù)性和裂紋；對厚的試件，定位深度可以精確到毫米；探頭斜射法幾乎可使波束指向試件的任何部位。③方便性：超聲檢測對于操作人員或周圍人員無害，可以用于車間、實驗室、倉庫或野外現(xiàn)場檢測。55超聲波檢測設(shè)備是從事超聲檢測的工具，通常指超聲波檢測儀和超聲波探頭。(一)超聲波檢測儀超聲波檢測儀的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于探頭，使之發(fā)射超聲波，同時，還將探頭送回的電信號進(jìn)行濾波、檢波和放大等，并以一定的方式將檢測結(jié)果顯示出來，人們以此獲得被檢工件內(nèi)部有無缺陷以及缺陷的位置、大小和性質(zhì)等方面的信息。561．超聲波檢測儀及其分類(1)按超聲波的連續(xù)性分①脈沖波檢測儀這種儀器通過向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)且頻率固定的超聲波，根據(jù)超聲波的傳播時間及幅度來判斷工件中缺陷的有無、位置、大小及性質(zhì)等信息，這是目前使用最為廣泛的一類超聲波檢測儀。②連續(xù)波檢測儀③調(diào)頻波檢測儀57(2)按缺陷顯示的方式分可將超聲波檢測儀分為A型、B型和C型等三種類型。①A型顯示檢測儀

A型顯示是一種波形顯示，檢測儀示波屏的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時間(或距離)，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷的位置，而由反射波的波高則可估計缺陷的性質(zhì)和大小。58②B型顯示檢測儀

B型顯示是一種圖像顯示，檢測儀示波屏的橫坐標(biāo)是靠機(jī)械掃描來代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)是靠電子掃描來代表聲波的傳播時間(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。59③C型顯示檢測儀

C型顯示也是一種圖像顯示，檢測儀示波屏的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都是靠機(jī)械掃描來代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號幅度以光點輝度表示，因而當(dāng)探頭在工件表面移動時，示波屏上便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖像(頂視圖)，但不能顯示缺陷的深度。602．A型顯示脈沖反射式超聲波檢測儀

(1)儀器構(gòu)造原理

A型顯示脈沖反射式檢測儀主要由同步電路、時基電路(掃描電路)、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路和電源電路等幾部分組成。61(2)脈沖反射式超聲波檢測儀的性能特點①在被檢工件的一個面上，用單探頭脈沖反射法即可檢測，這對于諸如容器、管道等一些很難在雙面放置探頭進(jìn)行檢測的場合，更顯示出明顯的優(yōu)越性；②可以準(zhǔn)確地確定缺陷的深度；③靈敏度遠(yuǎn)高于其他方法；④可以同時探測到不同深度的多個缺陷，分別對它們進(jìn)行定位、定量和定性；⑤適用范圍廣，用一臺檢測儀可進(jìn)行縱波、橫波、表面波和板波檢測，而且適用于探測很多種工件，不僅可以檢測，而且還可用于測厚、測聲速和測量衰減等。62

(二)超聲波探頭探頭的功能就是將電能轉(zhuǎn)換為超聲能(發(fā)射探頭)和將超聲能轉(zhuǎn)換為電能(接收探頭)。超聲波檢測用的探頭多為壓電型，其作用原理為壓電晶體在高頻電振蕩的激勵下產(chǎn)生高頻機(jī)械振動，并發(fā)射超聲波(發(fā)射探頭)；或在超聲波的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，并因此產(chǎn)生電荷(接收探頭)。631．探頭的種類

(1)按波型分將超聲波探頭分為縱波探頭、橫波探頭、板波(蘭姆波)探頭和表面波探頭等四種類型。64(2)按入射聲束方向分：

可分為直探頭和斜探頭兩大類。65(3)按耦合方式分：

直接接觸式探頭(探頭通過薄層耦合劑與被探工件表面直接接觸)和液浸式探頭(探頭與被探工件表面之間有一定厚度的液層)。66(4)按晶片數(shù)目分：

單晶片探頭、雙晶片探頭和多晶片探頭等幾種。67(5)按聲束形狀分：可分為聚焦探頭和非聚焦探頭兩大類。68(6)按頻帶分：可分為寬頻帶探頭和窄頻帶探頭。69(7)按使用環(huán)境分：

常規(guī)探頭(通用目的)和特殊用途探頭(如機(jī)械掃描切換探頭、電子掃描陣列探頭、高溫探頭、瓷瓶檢測專用扁平探頭等)。702．探頭的結(jié)構(gòu)超聲波檢測中常用的探頭主要有直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶片探頭、水浸探頭和聚焦探頭等71(1)直探頭直探頭用來發(fā)射和接收縱波；其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。72(2)斜探頭利用透聲楔塊使聲束傾斜于工件表面射入工件的探頭稱為斜探頭。通常所說的斜探頭是指橫波斜探頭，其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。73橫波斜探頭的標(biāo)稱方式有如下三種：①以（縱波）入射角標(biāo)稱，常用的入射角有30°、45°、50°和55°；②以鋼中的橫波折射角標(biāo)稱，常用的折射角有40°、45°、50°、60°、70°等；③以鋼中折射角的正切值(K值)標(biāo)稱，常用的K值探頭有K1、K1.5、K2、K2.5和K3。74(3)表面波探頭表面波探頭是斜探頭的一個特例。當(dāng)斜探頭入射角等于第二臨界角時，由波型轉(zhuǎn)換得到沿被測材料表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǎ@種斜探頭稱為表面波探頭。75(4)雙晶片探頭雙晶片探頭又稱聯(lián)合雙探頭或分割式TR探頭。其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。763耦合劑在超聲波檢測中，耦合劑的作用主要是排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件，以便檢測。77三、超聲波檢測方法(一)超聲波檢測方法概述1．超聲波檢測方法的分類按檢測原理不同：脈沖反射法、穿透法和共振法等；按超聲波的波形不同：縱波法、橫波法、表面波法和板波法等；按探頭的數(shù)目的多少：單探頭法、雙探頭法和多探頭法等；按探頭與試件的耦合方式的不同，可分為直接接觸法和液浸法兩大類等。78超聲波檢測按原理的分類情況(1)脈沖反射法超聲波以持續(xù)極短的時間發(fā)射脈沖到被檢試件內(nèi)，根據(jù)反射波束檢測試件內(nèi)有無缺陷的方法稱為脈沖反射法。根據(jù)判斷缺陷情況的回波性質(zhì)的不同，脈沖反射法又可進(jìn)一步分為缺陷回波法、底面回波高度法和底面多次回波法等三種。79①缺陷回波法缺陷回波法是最基本的脈沖反射法。80②底面回波高度法當(dāng)試件的材質(zhì)和厚度不變時，底面回波高度應(yīng)是基本不變的；如果試件中有缺陷，則底面回波高度會下降甚至消失。81③底面多次回波法底面多次回波法主要用于厚度不大、形狀簡單、探測面與底面平行的試件檢測。82(2)穿透法依據(jù)超聲波(連續(xù)波或脈沖波)穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法。83(3)共振法根據(jù)試件的共振特性來判斷缺陷情況的方法稱為共振法。原理：若頻率可調(diào)的連續(xù)超聲波在被檢試件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長的整數(shù)倍時，則由于入射波和反射波的相位相同而引起共振，因而儀器可顯示出共振頻率點。試件的厚度由下式計算而得：84852.探測條件的選擇探測條件的選擇一般是指儀器、探頭和掃查方式等方面的選擇。86(1)檢測儀的選擇①定位要求高時，應(yīng)選擇水平線性好的儀器；②定量要求高時，應(yīng)選擇垂直線性好、衰減器精度高的儀器；③大型零件的檢測應(yīng)選擇靈敏度余量高、信噪比高和功率大的儀器；④為了有效地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、分辨力高的儀器；⑤室外現(xiàn)場檢測，應(yīng)選擇重量輕、示波屏亮度好、抗干擾能力強的便攜式儀器。87(2)探頭的選擇①探頭型式的選擇

一般應(yīng)根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等來選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺陷垂直。

直探頭只能發(fā)射和接收縱波，波束軸線垂直于探測面，故主要用于探測與探測面平行的缺陷。

斜探頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷。

表面波探頭主要用于探測工件表面的缺陷，雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷，聚焦探頭用于液浸法探測管材或板材。88②探頭頻率的選擇由于波的繞射而使超聲波檢測的最小缺陷尺寸約為λ/2，因此，提高頻率有利于發(fā)現(xiàn)小缺陷；頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區(qū)分相鄰缺陷；頻率高，波長短，半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)并定位缺陷。頻率高，波長短，近場長度大，對檢測不利；頻率提高，衰減急劇增加、對檢測不利。89③探頭晶片尺寸的選擇晶片大小對聲束指向性、近場區(qū)長度、近距離掃查范圍和遠(yuǎn)距離缺陷檢出能力有較大影響。實際檢測中，檢測面積范圍大的工件時，為了提高檢測效率，宜選用大晶片探頭。檢測厚度大的工件時，為了有效地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷，宜選