《材料无损检测》PPT课件.pptVIP

材料无损检测课程说明,课程设置及分工：48学时；其中：理论教学44学时；郭立伟老师实验教学4学时。郭立伟老师课程性质：本课程为材料学科基础任选课；选修对象：材料成型与控制工程、材料学、材料物理化学专业本科生。国际焊接工程师和国际质检师的必修课程！,材料无损检测课程说明,课程任务：通过学习本课程，使学员初步掌握：材料无损检测的基本知识、操作技能与技术要点；学会正确选择无损检测方法、相关仪器、设备，并能正确选定各种技术参数；初步了解缺陷识别、产品质量评定的相关标准；为今后从事材料或产品的无损检测工作、制定相应的无损检测工艺奠定理论和实践基础。,材料无损检测课程说明,课程内容：本课程重点讲授射线探伤、超声波探伤、表面探伤等技术。对其它正在试用的新方法作为自学参考，课堂不作介绍。为收到良好的教学效果，本课程采用理论教学与实践教学相结合的方法，既注重理论教学，更注重强化实验教学对学生动手能力的培养，以增强感性认识。,材料无损检测课程说明,课程特点：多科性本课程学时虽然不多，可知识内涵却十分丰富。多科性是说，这门技术的理论基础是以近代物理学、化学、电子学、材料学为支撑的；从工程角度来说，它又是以全面质量管理科学与无损评定技术紧密结合的一个崭新领域；在具体检测方法和相关原理上，又涉及到磁、电、声、光、热、力等各个领域；在取得准确的检测结果方面，有时尚需多种检测方法的有机配合、运用获得的多种信息对材料（包括试样和产品）的物理性能和变异以及各类缺陷做出准确的评价。,材料无损检测课程说明,实践性对材料、试样、产品的无损检测，主要是探测其中的缺陷，了解各类缺陷的性质、位置、尺寸、形状、分布规律等等。因此，对材料及工件内部缺陷的理解、分布规律和特点的认识，熟悉它们在每种检测方法中的显像规律并做出正确的评价等方面，均与检验人员的实践经验密切相关。此外，要想取得无损检验人员的资格证，更需经过一段较严格的培训和通过相关的考试；要真正成为名副其实的质检师，往往要经过较长期的严格实践砺炼！,材料无损检测课程说明,实用性无损检测技术具有较为广泛的应用领域。它不仅用于工业生产中，在医疗、生物技术、电子技术、地质科学等诸多领域均可得到有效的运用。尤其在金属材料制造领域，如锅炉压力容器、化工机械、造船、海洋构造、航空航天以及核反应堆等生产制造领域更是不可缺少的质量保证手段。,材料无损检测课程说明,教学要求：重点掌握各种无损检测方法的基本原理、适用范围和技术要点；能够正确选择探伤方法、仪器、设备，熟悉基本操作要领；初步掌握拟订检验工艺、缺陷识别、质量等级评定等相关技能；积极参与课堂教学，认真记好笔记，按时完成规定实验，主动参加答疑活动。,材料无损检测课程说明,主要教学参考书：1.李喜孟主编.无损检测，北京：机械工业出版社，2001；2.赵熹华主编.焊接检验，北京：机械工业出版社，1992；3.梁启涵主编.焊接检验，北京：机械工业出版社，1980；4.其他有关无损检测的参考书和相关标准。,第1章绪论,1.1材料无损检测的意义1.1.1材料无损检测的概念材料无损检测，即指不损伤产品又能发现缺陷的检测方法或技术，亦称为无损探伤，属于非破坏性检测方法的范畴。它与某些破坏性检测方法，如力学性能检验、化学分析试验、金相检验等具有很强的互补性。尤其适合成品检验和在役运行产品的检验。无损检测的英文缩写为：NDT（nondestructivetest）。,1.1.2对实际工程材料的辨证认识材料力学对于材料的认识是基于“均匀性、连续性和小变形假设”来讨论问题的。而实际工程材料及产品在制造过程中，往往因冶金、结构、工艺因素的复杂性及操作人员技术水平的差异，即使按照同一工艺规程操作，也往往会产生各种各样的工艺缺陷。总之，实际工程材料和构件并不那麽理想，有缺陷是绝对的，没有缺陷则是相对的。,工艺缺陷举例,铸件：可能有缩孔、疏松、冷隔、裂纹等；焊件：可能有气孔、夹杂、未熔合、未焊透以及焊接裂纹等；锻件：往往有裂纹、褶皱、夹层等；热处理件：也可能出现裂纹、偏析、组织粗大等等。,1.1.3材料无损检测的意义(1)质量、安全保证即控制产品质量，保证设备安全运行。生产高质量产品的需要生产高质量的产品，往往需要从原材料、试板，到零件、部件乃至最终产品，都进行较严格的质量把关，即实行全面质量管理。而无损探伤技术恰好是必不可少的技术手段。设备在役安全运行期间跟踪监测的需要设备运行期间也可能产生新的缺陷。如：应力腐蚀裂纹、延迟裂纹、疲劳裂纹等等。需要定期或不定期地进行质量跟踪，以保证其运行的安全性。如核反应堆中的压力容器。,（2）工艺、技术保证即改进制造技术，优化制造工艺；在新产品研制、新工艺制定过程中，对于某些工艺参数、工艺措施的确定，有时需要进行严格的工艺评定，借助先进的无损检测技术可筛选出最佳规范，进而制定出新产品的工艺规程，最终制造出合格的产品或优质产品。,（3）效率、效益保证及时发现缺陷，降低生产成本；在复杂产品的加工过程中往往经历：“零件制备部件组成结构总成”等较长生产周期。在重点工序适时进行合理、适度的检验，可及时消除该工序产生的缺陷、防止同类缺陷的重复出现。这样做比在产品加工完成后再来消除缺陷更节省时间、材料和工时。从而降低了生产成本。而且，及时返修在操作上也较为容易。,特别值得注意的是：在商品经济时代，时间就是效益，时间就是生命！若由于产品质量问题成堆，工艺难度增大，因而拖延工期，最终造成合同违约，还会引起进一步的经济纠纷，甚至因产品报废，还会带来更大的经济损失。所以，严密的组织管理，高效的检测手段，精干的检验队伍，是现代工业产品质量控制的法宝。,（4）信誉、实力的见证积累技术资料，促进技术进步成功的检测数据、配套的原始底片、合格的检验报告、标准的检测试板等等，都是宝贵的技术资料。既可用于技术交流，又可长期存档。依托精干的检测队伍、先进的检测设备以及严密的管理措施所建立起来的质量保证体系，不但能够提高材料的潜能、促进企业的技术进步，还能提高企业的信誉和产品的国际竞争力。特别是在出现产品质量纠纷时，上述检验资料的法律价值就会凸现出来！,1.1.4区别适度检验和过度检验无损检测技术的两面性事物总是一分为二的，都具有二重性。在产品制造和在役运行过程中，及时、适度地采用无损检测技术，是优质高产的重要保证。但是，过分地采用该项技术，也会延误工期，同时无端提高生产成本。因此，应参考有关标准，合理选择检测工艺。这就是强调经济性原则，正确处理好质量检测与降低生产成本和生产周期的关系！,1.2材料无损检测的特点及检测依据1.2.1材料无损检测的特点材料无损检测技术主要用于未知工艺缺陷的检验。它是对破坏性检验的补充和完善。其特点是：非破坏性是指在获得检测结果的同时，除了剔除不合格品外，不损失零件。因此，检测规模不受零件多少的限制，既可抽样检验，又可在必要时采用普检。因而，更具有灵活性（普检、抽检均可）和可靠性。,互容性即指检验方法的互容性，即：同一零件可同时或依次采用不同的检验方法；而且又可重复地进行同一检验。这也是非破坏性带来的好处。动态性这是说，无损探伤方法可对使用中的零件进行检验，而且能够适时考察产品运行期的累计影响。因而，可查明结构的失效机理。严格性是指无损检测技术的严格性。首先无损检测需要专用仪器、设备；同时也需要专门训练的检验人员，按照严格的规程和标准进行操作。,检验结果的分歧性不同的检测人员对同一试件的检测结果可能有分歧。特别是在超声波检验时，同一检验项目要由两个检验人员来完成。需要“会诊”！概括起来,无损检测的特点是：非破坏性、互容性、动态性、严格性以及检测结果的分歧性等。应注意扬长避短，科学利用！,1.2.2实施无损检验的依据产品图样图样是生产中使用的最基本的技术资料，也是加工、检验的依据。尤其在图样的技术要求中，往往规定了原材料、零件、产品的质量等级、具体要求以及是否需要作无损检验等等。相关标准生产企业往往要贯彻相关标准，如：企业标准、行业标准、国家标准、国际标准等等。这些都是产品加工的指导性文件，自然也是实施无损检测的指导性文件。在具体标准中，往往详细规定了检验对象、检验方法、检验规模等等。,技术文件产品生产工艺部门下达的各种技术文件，如工艺规程、检验卡片、产品检验报告、返修单等等。有时还要追加或改变检验要求等等。订货合同某些产品的特殊检验要求、质量控制的条款，有时可能较详细的强调在订货合同中，应引起特别注意。,本章小结,无损检测的作用：在不损伤材料或产品的条件下，发现缺陷、改进工艺、控制质量、降低成本、维持和保证设备的安全运行，为企业和产品创建较为完备而可靠的技术档案并提供法律依据。2.无损检测技术的采用：应贯彻适时、适度的原则，应用时，要参考相关标准！3.无损检测的特点是：非破坏性、互容性、动态性、严格性以及检测结果的分歧性等。应注意扬长避短，科学利用！,本章思考题：1.材料无损检测有哪些实际意义？2.如何处理好适度检验问题？3.无损检测的基本特点有哪些?4.哪些检验属于破坏性检验?,第2章缺陷分析,本章提要：缺陷分析是无损检测的技术基础。主要解决两方面的问题：一是弄清缺陷的分类、性质、危害性；二是分析缺陷的产生原因，以便有效地识别缺陷、消除缺陷，提高工艺质量。本章重点讲授缺陷分类、危害性。缺陷的产生原因应结合材料成型原理课程内容深入理解与总结。最后，对常用检测方法作简要介绍。,2.1工艺缺陷的概念及分类,2.1.1工艺缺陷的概念（1）什么是工艺缺陷？在材料加工成型过程中，经常会出现某种或某些不合乎质量要求的外观缺陷、性能缺陷、组织缺陷和更为严重的内部几何不连续型缺陷（如裂纹、孔洞、夹杂等）。我们把这些“冶金因素、结构因素、工艺因素”导致的产品质量不符合相关标准要求的各类缺陷统称为工艺缺陷。,（2）工艺缺陷的辨证分析缺陷产生的绝对性就是说，在实际生产中，要获得没有任何缺陷的产品，在技术上是相当困难的；要使成批生产的产品都没有任何缺陷，是不经济的，甚至是不可能的。缺陷评定标准的相对性即“判废标准”的相对性。就是说，不同的产品或同一产品，往往因使用条件工况不同，对其质量要求也不同，因而，对工艺缺陷的容限，即“判废标准”也不尽相同。,判废标准的制定原则：一般地说，产品质量等级越高、失效后危害性越大，对缺陷控制也越严格。因此，必须注意贯彻和参照有关标准，不能随意判废。即合于使用的原则。工艺缺陷的修复：轻微的缺陷，不影响使用，是可以容忍的；严重的缺陷，不符合使用要求，则必须给予处理：有些缺陷能够及时修复；而有些缺陷则可能无法修复，产品就得判废！,举例说明,比如：焊缝余高过大，属于焊缝形状不良，严重时可以修磨；必要时甚至可以磨平。再如：铸件的表面砂眼，可以通过焊补来修复。特别指出，考虑到焊接接头组织和性能的恶化，某些产品的焊接修复不允许超过2次！所以，应该注意制定严格的修复工艺，否则就会造成经济损失！,2.1.2工艺缺陷的分类工艺缺陷种类繁多，产生原因也相当复杂。为了便于分析和处理工艺缺陷、制定检验工艺、方便技术交流，有必要对其进行分类。(1)按技术内涵大体分为：加工、装配缺陷如焊件坡口角度、装配间隙不均匀，错边量过大等；形状、尺寸缺陷如工件变形、焊缝宽窄不一致、焊缝余高过大、表面塌陷、满溢、焊瘤等等；,几何不连续型缺陷如焊件中的裂纹、孔洞、夹杂、未熔合、未焊透，铸件中的缩孔、疏松、裂纹等等；组织、性能缺陷如机械性能不良、耐腐蚀性下降、过热组织、脆性组织、偏析等等；其它工艺缺陷如飞溅、表面划伤、电弧擦伤、凿痕、磨痕等等。,（2）按工艺方法（工艺责任）分为：焊接缺陷因实施焊接工艺而引起的缺陷；铸造缺陷因实施铸造工艺而引起的缺陷；锻压缺陷因实施锻造、冲压工艺而引起的缺陷；热处理缺陷（略）,（3）按缺陷性质不同分为：裂纹如冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂、火口裂纹等；孔穴如缩孔、气孔等；固体夹杂如夹渣、夹钨等；未熔合如坡口未熔合、层间未熔合；未焊透如根部未焊透、中部未焊透；其它缺陷未包含在以上5种缺陷中的缺陷，如咬边、烧穿、焊瘤、电弧划伤等。,（4）按缺陷的埋藏深度分为：表面缺陷如表面气孔、表面裂纹、砂眼、咬边等；近表面缺陷如皮下气孔、夹杂等；内部缺陷如内部夹杂、气孔、缩孔、裂纹、未熔合、未焊透等；(5)按缺陷的几何特征不同分为：体积型如孔洞、夹杂等；面积型如裂纹、未熔合、夹层等；,（6）按具体缺陷的位置特征又有不同的称谓：例如：裂纹可分为：HAZ裂纹、焊缝裂纹、火口裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹等；未熔合可分为：坡口未熔合、层间未熔合、根部未熔合。（7）其它分类：按裂纹走向不同有：横向裂纹、纵向裂纹、人字形裂纹、辐射形裂纹等称谓；按裂纹尺寸不同又有：宏观裂纹、微裂纹等称谓。,按具体缺陷产生机理又有不同的分类，例如：焊接接头中的裂纹因其产生机理不同有：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂等；焊件中的气孔又分为：氢气孔、氮气孔、CO气孔等等。,22工艺缺陷的危害及其对产品质量的影响,2.2.1工艺缺陷的危害性（定性分析）应该指出，处在同一位置上的不同性质的缺陷、或处在不同位置的同一性质的缺陷，其危害性是不尽相同的：(1)对于同一性质的缺陷（即使数量、大小相同）有：,表面缺陷比内部缺陷危害性大;位置特征高应力区的缺陷比低应力区的缺陷危害性大；应力特征与主应力垂直的片状缺陷比平行主应力时危害性大；走向特征应力集中区的缺陷比非应力集中区的缺陷危害性大；缺口效应对疲劳强度的影响比静载强度的影响大；载荷特征未发现的缺陷比已发现的缺陷危害性大；掌控状态,(2)不同性质的缺陷危害性排序（从大到小）：裂纹未熔合，未焊透咬边夹杂（条状）夹杂(圆形)气孔。应该强调，任何一种缺陷达到相当严重的程度都会造成危害，不仅会造成结构的破坏，甚至会酿成灾难性事故！尤其对于裂纹类缺陷工艺上是不能容忍的！必须彻底铲除!,2.2.2工艺缺陷产生危害的本质(1)使工件的有效承载截面F受到削弱，因而使实际平均应力增大。(2)缺陷造成的几何不连续，导致局部应力集中！引起缺口尖端的局部三向拉应力，使材料性能变脆，即产生缺口效应；可能引起裂纹失稳扩展，造成低应力破坏（脆断）；结构的应力集中点又容易引发疲劳裂纹；成为疲劳裂纹源!应力集中区也容易加剧引起应力腐蚀开裂。,总之，材料强度越高、加工精度越高、对应力集中越敏感，工艺缺陷造成的危害越大。2.2.3工艺缺陷的产生原因这个问题十分复杂，需要具体问题具体分析。从总体上说，主要来自：冶金因素如化学成分、碳当量、杂质含量、冷却速度等等；结构（力学）因素如壁厚、应力集中、截面突变、拘束应力等等；工艺因素预热条件、烘干温度、清理、环境湿度、规范参数等等；,对于每种具体缺陷的产生原因，还要结材料成型原理课程的学习来深入理解。譬如:焊接冷裂纹的产生原因(三要素):接头中的淬硬组织M;接头中的较高拘束应力R;扩散氢含量的影响。三因素相互促进，加剧焊缝在焊根或熔合线处的开裂倾向。,2.3材料无损检测方法的种类及其适用性,2.3.1常用的无损探伤方法及探伤原理材料或工件未知工艺缺陷的检测中常用的无损探伤方法有：(1)射线探伤（RT）是利用射线的穿透性和衰减性来发现缺陷，即射线能够穿透物质并且在物质中有衰减的物理特性来发现缺陷的。该法是工业生产中最常用的NDT方法!,2.3.1常用的无损探伤方法及探伤原理,(2)超声波探伤（UT）是利用超声波在物质中传播、反射和衰减等物理性质来发现缺陷的。该法与射线探伤法形成优势互补.(3)磁力探伤（MT）是通过对铁磁材料进行磁化所产生的漏磁场来发现其表面及近表面缺陷的。在黑色金属的表面检测中应用广泛.,2.3.1常用的无损探伤方法及探伤原理,(4)渗透探伤（PT）是利用荧光染料或红色染料渗透剂的渗透作用显现工件表面开口型缺陷痕迹的。注意:不能用于多孔型材料!(5)涡流探伤(ET)是利用涡流的集肤效应及其在缺陷处的畸变行为来发现和检测缺陷的。此外，还有液晶探伤、中子探伤、全息探伤、声发射探伤等等。,检测方法简介的说明,有关各种检测方法的技术内涵和要点将在今后各章的讲授中，深入理解。总之，每种方法既有它的优势，也有它的局限性。这一点就像没有包治百病的良药一样！应用是应根据检测工艺需要,认真进行选择!,2.3.2五种常用无损探伤法的适用性射线探伤：适用于材料内部体积型缺陷：孔洞、夹杂、未焊透等；对于面积缺陷（如裂纹等）有选择性：即缺陷平面与射线透照方向平行或接近平行时非常适用；而当缺陷平面与射线透照方向垂直时极不敏感！易出现漏检!超声波探伤：适用于大多数缺陷的检测，但检出容易，定量难。不易发现细小裂纹。另外，由于检测系统存在盲区，故不适合薄板的检测。,2.3.2五种常用无损探伤法的适用性,磁力探伤：适合铁磁性材料的表面缺陷及近表面缺陷的探伤；不适用于非铁磁性材料，如铜、铝、奥氏体钢等等；(4)渗透探伤：适用于各种材料表面的开口型缺陷的检测（如裂纹、针孔等）；但不适用多孔型材料；(5)涡流探伤：适用于各种导电材料的表面及近表面缺陷的探测。不适于非导电材料的缺陷检测。,本章小结,本章从不同角度对缺陷分类，以便加强理解和记忆。对于缺陷的认识还没有完结，仍须通过其它课程的学习加以深化。在具体检测方法中，如何显现缺陷的形态，更要结合试验深入掌握。最后，对常用的无损检测方法的适用性作出简要的总结。后续课程将会深入理解这一点。,本章思考题,1.工艺缺陷是如何分类的？2.工艺缺陷产生危害的本质是什麽？3.不同性质的工艺缺陷的危害性是否相同？试说明之。4.同一种缺陷在不同条件下,危害性是否相同？试说明之。5.常用的无损检测方法的适用性如何?6.什么是咬边、未熔合、未焊透、夹杂？,第3章射线检测,本章重点内容：（1）射线的产生及性质更好地利用它；（2）射线检测的基本原理更好地理解各种缺陷的显像状况；（3）重点掌握射线照相法检测技术学以致用；（4）了解射线的防护知识保护环境和注意人身安全。,本章概要,射线检测的英文缩写RTraytesting基本原理利用射线能穿透物质且在不同物质中的衰减情况有差异的特性来发现构件中的缺陷；依据显示缺陷的方法不同，分为以下几种具体的方法：电离法荧光屏观察法工业电视法照相法计算机断层扫描法CT,本章概要,根据射线源不同，又分为：X射线检测；射线检测；高能射线检测。本章将以X射线照相法检测技术为核心，讲授射线检测技术。射线检测又称射线探伤。这部分内容也是课程的重点。,3.1射线检测的物理基础,3.1.1射线的本质射线本身就是一种波长很短的电磁波。X,射线统称为光子。根据波谱图可查得:X射线的波长为:0.0010.1nm;射线的波长为:0.00030.1nm.射线比X射线的波长还短，因此，其穿透能力更强!,3.1.2射线的性质(1)不可见，直线传播具有隐蔽性和指向性；(2)不带电，因而不受电磁场影响电中性；(3)能穿透物质,但有衰减具有穿透性和衰减性；(4)能与某些物质产生光化作用，使荧光物质发光；可使胶片感光可成像；(5)能使某些气体电离即产生电离辐射；(6)与光波一样，有反射、折射、干涉现象；(7)能产生生物效应，伤害和杀死生物细胞对人体有害。,3.1.3射线的产生射线的性质，有利、有弊，应该科学地加以利用和防范！射线学就是研究如何利用与防范射线的科学。下面介绍产生x射线的主要设备:(1）x光管基本组成：阴极部件：灯丝（钨丝）发射电子；阴极罩聚焦电子。阳极部件：阳极靶接收电子；冷却介质散热作用。真空管玻璃或金属陶瓷制作的真空外罩。,(2)X射线管及其工作原理,(3)X射线的产生过程表述首先，对灯丝通电预热,产生电子热发射,形成电子云；（大约20分钟左右）然后，对阴极和阳极施加高压电（几百kv），形成高压电场，加速电子，并使其定向运动；被加速的电子最终撞击到阳极靶上，将其高速运动的动能转化为热能和X射线。,(4)几点说明,高速运动电子的能量，绝大多数转换为热能，转化为X射线的能量比率仅占1左右；因此阳极靶必须散热和冷却；这个问题应该由X射线管的设计人员解决。产生X射线的强度与管电流成正比，与管电压的平方成正比，与阳极靶材料的原子序数成正比。因此，恰当选择管电流、管电压和阳极靶材料至关重要。换言之，X射线的强度可由管电流和管电压灵活调节！,常用的阳极靶材料为钨。它具有高原子序数和高熔点。X射线的强度的分布规律：在垂直电子束的方向上最强；在平行电子束的方向上最弱。这就是说，X射线的强度在空间的分布是不均匀的，而且具有一定的扩散角，并不是平行光！了解这一点，对应用也很重要（后面在象质计的布置时将提到）。,3.1.4射线的产生,射线是由放射性同位素的原子核衰变过程伴随产生的。常用于射线探伤的放射性同位素主要有：钴60、铱192、铯137/134等。射线的特点：强度高于X射线，穿透力强，适合厚板透视；强度无法直接调节，射线长期存在，防护更要注意！可实现周向辐射，透视效率高。,3.1.5射线的半衰期,3.2射线检测的基本原理,3.2.1射线在物质中的衰减定律射线在穿透物质的同时也会发生衰减现象。其发生衰减的根本原因有两点：散射和吸收。其衰减规律成负指数规律：I=I0e（3-1）式中，I0射线的初始强度；I射线的透射强度；工件的厚度；线衰减系数。,线衰减系数,线衰减系数入射光子在物质中穿行单位距离时，与物质发生相互作用的几率。不同材料具有不同的衰减系数。一般规律是：f(,z)，且与三者成正比。其中:射线的波长；材料密度；z原子序数；,3.2.2射线检测的基本原理,射线检测主要是利用它的指向性、穿透性、衰减性等几个基本性质。具体分析（参考下图）：（1）无缺陷区的射线透射强度：I=I0e衰减定律,A,B,X,I0,I,x,=A+X+B,X缺陷厚度；A缺陷上部厚度；B缺陷下部厚度；,Ix,（2）有缺陷区的射线透射强度：Ix=I0eAeXeB=I0eAeBeXeXeX=I0ee（)X=Ie（)X(3-2)显然有：Ix/I=e（)X(3-3),讨论与结论,当I；比如，钢中的气孔、夹渣就属于这种；当时，IxCSCR同一介质中，声速、波长、频率之间的关系为：C=f=常数。,按超声波振动持续时间分为：(1)连续波在有效作用时间内声波不间断地发射；(2)脉冲波在有效作用时间内声波以脉冲方式间歇地发射。注意:超声波检测过程常采用脉冲波。,4.1.4超声波的基本性质(1)具有良好的指向性：直线传播，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好；束射性，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。声束的扩散角满足如下关系：=arcsin1.22(/D)(4-1)可见，波长越短，扩散角越小，声能越集中。,(2)具有较强的穿透性，但有衰减；穿透性来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方；所以，超声波的能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！衰减性源于三个方面：扩散、散射和吸收；（3）只能在弹性介质中传播，不能在真空（空气近似看成真空）中传播；强调：横波不能在气体、液体中传播！表面波看作是纵波与横波的合成，所以，也不能在气体、液体中传播！,（4）遇到界面将产生反射、折射和波型转换现象；（5）对人体无害优于射线的性质。,主声轴,N,近场区长度,N=D2/4,超声场及近场区,压电晶片,4.2超声波在介质中的传播,4.2.1超声波在金属中的衰减定律超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散；在液体中主要是吸收。研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达：PX=P0e-x(4-2)衰减系数；dB/mx声束传播的距离，即声程m。,(4-2)式表明，超声波的声压在其传播的路径上，呈负指数规律衰减。这里强调指出：衰减系数为频率f4和晶粒尺寸d3的函数。所以，粗晶检测时，应适当降低超声波频率，弥补能量的不足。研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系：p1/p2=h1/h2(4-3)实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。,超声波探伤仪示波屏上波高h的衰减状况,这里，B1B6代表超声波在工件底面的6次反射波。波高h依次递减。,T,B1,B2,B6,4.2超声波在介质中的传播,4.2.2超声波在异质界面处产生的各种现象(1)垂直入射异质界面时的透射、反射及绕射透射与反射反射系数K=W反/W入100%,w入,常见材料之间的界面反射系数,反射现象的辩证分析反射现象：对发射超声波不利；对脉冲反射法接收有利。影响反射系数K的因素反射系数K值的大小，决定于相邻介质的声阻抗之差：Z=|Z2Z1|Z越大，K值越大。而与何者为第一介质无关。,关于声阻抗,声阻抗Z表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。指超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点速度振幅V之比。定义式声阻抗Z=p/V(4-4)数值表征Z=CL(4-5)气体、液体、金属之间声阻抗之比约为：1：3000：8000。,绕射现象当界面尺寸df/2时，声波能绕过缺陷界面而继续向前传播的现象，叫作绕射。因此，要想提高探伤灵敏度，必须提高频率f,以便发现更小的缺陷。,超声波的绕射现象,(2)倾斜入射异质界面的反射、折射和波型转换参考图,o,L入射纵波；纵波入射角；L1反射纵波；L纵波L1反射角；S1反射横波；横波S1反射角；L2折射纵波；L纵波L2折射角；S2折射横波；横波S2折射角。,斯涅耳定律：,（46),(3)临界角的讨论及其应用意义因CL=CL1;=L;由（4-6）式可推知:（4-7）（4-8）临界角的讨论：当取有机玻璃为第一介质，钢为第二介质时，即有：CL1CL2,CL1CS2CL2,必有SL；且，S，L；,故当L=90时，第二介质中只有横波。此时对应的纵波入射角；叫作第一临界角，记为1m。这时，1m=27.6。当，使s=90时，第二介质中只有表面波。此时对应的纵波入射角叫作第二临界角，记为2m=57.6。临界角的应用：斜探头设计时，应保证声波的入射角介于第一临界角、第二临界角之间。,4.3超声波检测原理,本节重点讲解:A型脉冲反射法超声波检测原理。在实际应用中以该法为主。4.3.1A型脉冲反射法超声波检测原理(1)原理：A型脉冲反射法超声波检测就是利用超声波在传播过程中，遇到声阻抗差较大的异质界面时，将产生反射的原理来实现对内部缺陷检测的。,(2)实现方法：该法采用单一探头既作发射器件，又作接收元件，以脉冲方式间歇地向工件发射超声波；接受到的回波信号经功能电路放大、检波后，在探伤仪的示波屏上，以脉冲信号显示出来。(3)信号的解读：根据探伤仪示波屏上始波T、伤波F、底波B的有无、大小及其在时基轴上的位置可判断工件内部缺陷的有无、大小和位置。见下图：,示例,直探头缺陷显示,a.无缺陷b.小缺陷c.大缺陷,T,B,T,T,B,F,F,示波屏特征小结,（a）无缺陷示波屏上只有始波T和底波B，而且底波较高；（b）有小缺陷示波屏上不仅有始波T和底波B；而其间还有伤波F;相对（a）无缺陷的情况，底波变矮；（c）有大缺陷示波屏上只有始波T和伤波F,没有底波B。相对（b）而言，伤波变高。,4.4脉冲反射法超声波检测技术要点,内容提要：从根本上说，超声波检测技术的基本任务就是：通过调节探伤系统的灵敏度和调整操作手法，有效地发现缺陷；发现缺陷后，能够准确地给缺陷定性、定量、定位；根据工艺要求,提出返修建议及相关的探伤工艺；按规定格式，写出检测报告。本节将根据上述任务，重点介绍两种探伤方法。,4.4.1垂直入射法（直探头，纵波法探伤技术）定义：采用直探头将声束垂直入射工件的探伤方法；该法利用的声波类型为纵波，故有纵波法之称。简记：垂直入射法=直探头法=纵波法缺陷显示方式：以回波在时基线上的位置、脉冲大小反映缺陷的情况。应用特点：能够发现与探测面平行或接近平行的面积型缺陷和体积型缺陷。对体积型缺陷的检出率较高。,缺陷的定位：缺陷就在探头的正下方！从三维定位的角度，需给出三个坐标：x,y,z；其中，在探测面上的水平坐标x,y可直接用钢板尺量取；而缺陷的埋藏深度坐标z（习惯上用深度h表示）可根据伤波F在时基线上的位置，按比例关系确定:h=(tf/tb)=ntf式中，tf伤波脉冲前沿在示波屏时基线上的刻度值；tb底波在示波屏时基线上的刻度值；被检测试件的厚度值；n比例系数;n=/tb。,缺陷的定量a.当缺陷尺寸大于声束直径时，采用移动测长法；即半波高法。图示如下：,b.缺陷尺寸小于声束直径时，采用当量法；当量法的基本思想：在一定的探伤灵敏度条件下，将已知形状、尺寸的人工反射体的回波与实际检测到的缺陷回波相对比，若二者的声程、回波高度相等，则这个已知人工反射体的相关尺寸可视为该实际缺陷的“缺陷当量”。可见当量法应该选择恰当的对比试块。设计适当的距离尺寸和人工反射体的尺寸；得到“探测距离与波幅曲线”；,当量法的距离波幅曲线示意图,对比试块,250,50,孔径可改变为：2，3，4，6；,探头,平底孔距探测面的距离为：5，10，15，20，25，30，35，40，45,当量法的距离波幅曲线示意图,图例,波幅,距离mm,评定线,定量线,报废线,dB,缺陷的定性对于A型显示的超声波检测来说，给缺陷定性是较复杂和困难的。需要了解检测对象的材质、工艺、缺陷位置、空间位向、信号大小、特征等多方面的信息。缺陷性质不同，其波形特征各异；在探头移动时，也会表现出不同的特点。要做动态分析！,举例,点状缺陷的波幅较低，当探头作环绕扫查时，信号反映迟钝；夹渣群则呈连串的波峰，而且波形杂乱；裂纹和未焊透等平面缺陷的回波高而陡峭，对探头转角扫查反映敏感；特别是回波信号往往随探头的扫查方式改变而发生不同的变化。其变化规律需操作者积累丰富的经验。各种现代超声检测技术的出现，大大提高了缺陷定性的准确性。,基本扫查方式,图示,4.4.2斜角探伤法（斜探头，横波法）(1)定义：采用斜探头将声束倾斜入射工件探伤面进行检测的方法，简称斜射法。在具体检测中，采用横波探伤，因此，又称横波法。(2)斜探头的主要参数:横波折射角；简称折射角；探头K值:K=tg.超声波频率:f.,(3)示波屏上的缺陷显示情况：,T,T,T,F,B,a.无缺陷b.有缺陷c.端角波,(4)几何关系术语入射点o；前沿长度b声波入射点至探头前端距离；折射角；探头K值，K=tg;跨距P1=2tg=2K;半跨距P0.5=K;直射法声波未经发射直接对准缺陷；一次反射法声波只经过一次反射就对准了缺陷。,几何关系术语的图解,图例:直射法一次波法；一次反射法二次波法,直射法图解,K=tg=L/h缺陷水平距离L=Ssin;缺陷深度h=Scos；,一次反射法图解,L=Ssin=SK/1K2h=2Scos=2L/K；,工件,缺陷,L,h,h,思考题：,一次反射法探伤时，怎样用声程S和折射角表示缺陷水平距离L与缺陷深度h？解：已知，S,或K时，若先求出h=2Scos=2L/K；则L=(2h)K=Ssin。,（5）常用的扫查方式粗探锯齿型（W）扫查；又称垂直水平扫查；精探转角、环绕、垂直、水平。,（6）缺陷定位斜探头定位的复杂性分析：缺陷定位的目的，就是在发现缺陷后，如何给出它的三维坐标，并在图纸上表示清楚。习惯上，采用直角坐标来表示。即给出X,Y,h.参见下图:,（6）缺陷定位重点讲一种水平1:1定位法即斜探头进行焊缝缺陷定位的方法。首先完成水平1:1定位（借助标准试块）由于已知探头K值，故可直接计算L50和L100：其中，L5050K/1K2;L100=2L50,CSK-1A标准试块,图例,CTS-22型超声波探伤仪,面板图,然后,利用CSK-1A标准试块上的同心圆弧R50，R100为人工反射体，将斜探头的入射点对准同心圆弧R50，R100的圆心（此时回波最高），并利用水平移位旋纽和深度调节旋纽使同心圆弧R50，R100的回波分别对准时基线上的L50和L100。这样，就完成了水平1:1定位调节。此后的探伤过程千万不要再动水平移位旋纽和深度调节旋纽。否则，就会破坏刚刚调好的定位关系。,4.5超声波探伤系统,4.5.1超声波检测系统组成(1)超声波探头；(2)超声波探伤仪；（3）测试线；（4）试块/工件；（5）耦合剂。,4.5超声波探伤系统,(1)探头:直探头,外壳,压电晶片,引线,阻尼块,斜探头,入射点,斜探头的参数选择,为了保证斜探头检测时，尽可能使用直射法或一次反射法探伤。应注意：a.板厚较大时,选择K值较小的探头；按深度1:1定位法进行初始定位。b.板厚较薄时,选择K值较大的探头；按水平1:1定位法进行初始定位。,（2）探伤仪,强调一点,超声波探伤仪在工作时，其始波T是不依赖探头而存在的！这时因为：始波作为一种标志信号，直接通过内部电路馈送而来的，它不是反射信号！直探头探伤时，要求始波前沿对准0刻度！斜探头探伤时，由于探头内部楔块已经有一段声程S0，因此不再要求始波对准0刻度！,（3）试块超声波检测，离不开试块。其作用比象质计还要大！试块分为：标准试块和对比试块两类。它们都是超声波检测的辅助工具。用来模拟各种工艺缺陷，对超声检测系统的灵敏度进行调整！试块中精心设计了各种人工反射体，并进行了科学布置。,标准试块与对比试块的定义,标准试块(standardtestblock)指材质、形状和尺寸均经主管机关或权威机构鉴定的试块。也叫校准试块。用于对超声检测装置或系统的性能测试及灵敏度调整。对比试块（referenceblock）用于调整超声检测系统灵敏度或比较缺陷大小的试块。也叫参考试块。一般采用与被检材料特性相似的材料制成。,标准试块示例,(1)CS1试块尺寸参数：,高H=225mm；直径70mm；底部平底孔2mm；孔深h=25mm.,作用：标定仪器灵敏度！,试块示例,（2)CSK-1A试块,CSK-1A试块的作用,标定探头K值；测试分辨力；测试探伤仪的水平线性；进行斜探头的垂直或水平1：1定位；测试斜探头的入射点等等。这些内容，将通过实验课来亲自体验。,4.5.2超声波探伤仪基本性能简介（1）垂直线性回波波高与放大系统的回波电压信号成正比关系的程度。因此，又称为放大线性或波幅线性。它涉及对缺陷的定量。合格仪器一般要求8%。（2）水平线性探伤仪示波屏时基线上的伤波前沿读数与实际声程成正比关系的程度。又称时基线性、扫描线性或距离线性。它涉及对缺陷的定位。合格仪器一般要求2%。（3）动态范围回波波高从100至完全消失，衰减器db值的改变量。一般大于26db。,4.5.3超声波检测系统的组合性能相关标准GB/T12604.1-90规定:超声检测系统由超声检测仪器、探头和电缆组成的系统。(1)组合灵敏度用灵敏度余量来表示。指超声检测系统中，以一定电平（或波高）表示的标准缺陷探测灵敏度与最大探测灵敏度之间的差值。用db数表征。该值越大，表明该系统的组合灵敏度越好。即灵敏度余量越大。,(2)组合盲区（deadzone）在一定探伤灵敏度下，从被检件探测面到最近可探缺陷之间距离。换言之，在此区间内，系统无法有效发现缺陷。注释：发现不了缺陷成为“盲”；一定范围内都“发现不了缺陷”，便构成“盲区”！（组合盲区测定是实验内容之一）,盲区的示意图,超声波探伤仪示波屏,T,盲区,100806040200,F,(3)组合分辨力（resolution）指超声探伤系统能够区分深度方向一定大小的两个相邻缺陷的能力。这一组合性能，需借助CSK-1A标准试块来完成。图示如下：,组合分辨力测试图示,用CSK-1A试块测探伤系统的组合分辨力,300,91,100,200,两个人工反射体,直探头,85,组合分辨力测试图示,首先找到两个反射体的回波A、B；将二者调至满量程的2030；记下此时的衰减器读数S1.,然后将回波A、B的谷底调至原来波高，即满量程的2030；记下此时的衰减器读数S2.,最后计算出衰减器的改变量S=S1S2即为该探伤系统的组合分辨力！,(4)电噪声,T,E=E1/E2100%,E1,E2,4.6超声波检测应用相关术语,4.6.1对接焊缝的斜探头检测(1)位、侧、面,左侧,右侧,探测面：分为上、下面；探测区：分为左、右侧；探头所在位向分为：1、2、3、4四种位置。,(2)直射法扫查的死区,（3）扫查范围的确定直射法：L0.75P1一次反射法：L1.25P1,L,(4)声学术语超声场充满超声波的空间。声压超声场中介质质点在交变振动的某一瞬时所受的附加压强。声强I即声波的能流密度。指单位时间内在垂直于声束传播方向的介质单位面积上所通过的平均声能量(W/CM2)。标准声强I0也叫“闻阈”。指引起听觉的最弱声强。或称为基准声强。数值是：1016W/CM2.,声强级（soundintensitylevel）以分贝（dB）为单位的声强表示方法。定义式为：IL=10lg（I/I0）dB即：声强级在数值上等于某一频率的声强I与标准声强I0的比值再取常用对数后乘以10。不乘以10，其单位叫贝尔（BEL)。这个单位显得太大，不便于应用。就像米(m)与分米(dm)一样！,不同波高的声强级差10lg(I2/I1)=10lg(P2/P1)2=20lg(P2/P1)=20lg(H2/H1)特别地，当H2/H12时，6dB.这就是半波高法的由来！,4.6.2实际接头的超声波检测示例(1)T形接头的检测,示例1:针对不同缺陷的组合探测,斜探头,(2)对接焊缝的超声波检测,超声缺陷显示,A扫描显示水平基线显示经过的时间垂直方向偏移表示信号的幅度。B扫描显示工件纵向截面图像C扫描显示工件水平截面图像,A扫描的局限,常规的超声检测不存在对人的危害。它能提供深度信息和检出射线照相容易疏漏的不连续性。然而，常规的超声检测方法也有一些潜在的缺点：(1)由于操作者操作误差引起检测结果的差异;(2)对操作者的主观因素要求很高；(3)缺少能够重复并永久记录的合适方法；(4)对小的且有可能会拒收的不连续性重复检测结果的可能性很小。,超声成像方法,超声信号的两个测量参数：幅度和声程时间。一个闸门以仅记录感兴趣区域的信号，同时又设定某个阈值来卡掉噪声信号。电子仪器设备的分辨力决定测量的精度.,超声脉冲回波液浸法,为了改善能量从换能器到被检植物的传递，常使用两种耦合方法：直接接触法和水浸法。差别是耦合介质长度不同。水浸耦合水浸耦合采用长的液体延迟块。将被检物表面的反射与换能器激励信号区分开。此外，也应将被检物内部反射和水声程中重复反射相区分。,水浸耦合法的优点,液浸扫查的主要优点例举如下：1当改变被检物的尺寸或形状时不需要特殊的换能器匹配器或楔块。2可以较简单地连续调整声束入射角，这对形状复杂的结构件的异形表面或新的检测工艺的研究来说都是必需的。3耦合液体可以连续地使用。4由于不需紧密的接触，因此检测速度能够非常快。5液浸方法不象直接接触法那样因管子的椭圆、表面状况或尺寸变化而产生大的耦合损失。6水槽中整个浸没有助于排除表面波，因表面波不规则地增加来自表面的较小不连续性信号。7水容器提供延迟块以允许非常强的界面信号在弱信号返回到仪器之前就通过放大器。这点当检测小尺寸管子和薄板时特别显示出优越性。,水浸耦合法的局限,水浸法的其它方面局限是：(1)由于水浸法检测系统较重，所以整个系统不能便携和野外检测；(2)整个硬件系统是复杂的且非常昂贵；(3)水浸法不推荐用于检测易于腐蚀的被检物；(4)水浸法仅能检测厚度小于某一限度的被检物。,液浸槽可以用来检测各种形状的被检物，包括板材、线材和异形材。计算机控制系统通过改变声透射角来保持声入射角不变以跟踪复杂的形状。,水射流装置广泛使用在航空工业，在该工业中，许多部件的内部结构中有大量的空气，而空气导致浮动性因此不能采用液浸式。另外，水能透入这些结构件中，一段时间后会引起腐蚀。,应用领域,钢坯的超声检测,深圳国际贸易大厦钢结构件焊缝的超声检测,应用领域,钢轨超声自动探伤装置,核电反应堆压力壳超声役前检验用的机械扫查装置,第5章磁粉检测与渗透检测,本章提要：磁粉检测（MT）与渗透检测（PT）均属于表面检测技术，工程应用广泛，行业十分重视,有相关的国家标准。本课程简要介绍它们的基本原理、操作要点及适用性。为加深感性认识，本课程安排了相关实验，以提高教学效果。,5.1磁粉检测（MT),5.1.1检测原理利用磁化材料或工件表面的漏磁场吸引磁粉颗粒或磁悬液中的磁粉颗粒，使其在具有较强漏磁场的位置集聚，从而形成磁痕达到显示缺陷的效果。5.1.2检测工艺预处理励磁喷洒磁粉颗粒或磁悬液观察磁痕拍照或记录退磁后处理,5.1.3适用范围该方法适用于铁磁性材料的表面及近表面缺陷的检测。铁磁性材料铁、钴、镍及其合金；非铁磁性材料铝、铬、锰、铜等；所以，对于非铁磁性材料，不能采用磁力检测！例如：对于奥氏体不锈钢，铝合金这类材料，就不能选择磁力检测。,5.1.4磁粉检测方法的分类(1)依据施加磁粉颗粒的方法不同,分为:干法和湿法两类。干法采用干燥磁粉进行检测的方法。磁粉粒度以1060m为宜。湿法采用进行检测的方法。磁粉粒度以110m为宜。磁悬液磁粉或磁膏悬浮在载液(媒质)中形成的一种液体.磁粉又分为：普通磁粉和荧光磁粉。,(2)根据外加磁场的作用情况分为:连续法在外加磁场的同时，将检验介质（磁粉或磁悬液）加到试件上进行检测的方法。剩磁法先将试件磁化，待切断电源或移去外加磁场后，再进行检测的方法。,（3）根据外加磁场的方向不同，分为：周向磁化法利用周向磁场进行磁化。纵向磁化法利用纵向磁场进行磁化。组合磁化法利用合成磁场进行磁化。,A）工件直接通电,B）电流通过中心导体,I,周向磁化法,纵向磁化图例1：,纵向磁化图例2：,工件,