材料成形及控制工程常用检测技术课件

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材料成形及控制工程常用檢測技術

第一节零件应变和应力状态的检测

測定應力狀態常採用電阻應變法。該方法是先

用應變片測出應變，然後用虎克定律求出其應力

。此方法僅適用於彈性平面問題，即測定零件表面的彈性應力和應變。*一、應變檢測和應力計算

1、線應力狀態

對於單向應力狀態，只要將應變片沿應力方向粘貼，

測出應變值

，即可求出應力

=E

式中，E—被測零件材料的彈性模量。*2、主應力方向已知的平面應力狀態

將應變片沿主應力

1和

2方向各貼一片（圖3-1，P42），分別測出其應變值

1和

2，然後用廣義虎克定律求出主應力

1和

2以及最大切應力

max

式中，—被測零件材料的泊松比。*3、主應力方向未知的平面應力狀態

將為計算方便，一般採用方向夾角一定的應變花：直角型應變花（圖3-2，P43），三角型應變花（圖3-3，P43），分別測出其應變值

1、

2、

3。則主應力

max、

min與主方向夾角

p和最大切應力

max

式中的係數A、B、C見表3-1（P43）*4、測點選擇、布片和選片原則

（1）測點的選擇

應考慮如下幾個問題：

1）最大應力點一般都產生在危險截面或應力集中的地方。

2）如果最大應力點難以確定，或者需要瞭解構件應力分佈的全貌，一般都在所研究的線段上比較均勻地佈置5~7個測點。

3）對於構件上開有孔、凹槽或截面急劇變化等一些產生應力集中的區域，測點應適當的加多，以瞭解其應力變化情況。

4）為了減少測點數目，可以利用結構與載荷的對稱性和結構邊界的特殊性況。

5）動態測試應在靜態測試的基礎上進行，測點數目要比靜態的少。動態測點一定要選在能反映構件動態性質的關鍵部位。*二、殘餘應力檢測

對殘餘應力的理論計算是一個非常困難的問題。因此工程上主要依靠殘餘應力的測定來求得殘餘應力的數據。

目前，測定殘餘應力的方法歸納起來可分為全破壞、局部破壞和非破壞三大類。用於金屬結構和零件非破壞的電測方法主要有盲孔應力釋放法和磁彈性法。

*1、盲孔應力釋放法

原理：在均勻連續受力的板上鑽一通孔。利用圖3-4（P45）佈置的電阻應變片求出應力

1和

2（P45），然後再通過標定試驗獲得

1和

2公式中的A、B係數對通孔的理論解進行修正。

其優點如下：

1）只需在工件的表面上鑽一個小而淺的盲孔，實測後，可將盲孔磨掉，保證結構完好。

2）檢測的工作量少，速度快。

3）採用小標距電阻應變片測得的殘餘應力接近於點應力，誤差比較小。*2、磁彈性法

原理：利用鐵磁物質在磁場中磁化後的磁致伸縮效應來檢測殘餘應力,即通過測得某一小範圍內各個方向磁導率的變化，來反映出這一區域的應力狀態。

其優點如下：

1）只需在工件的表面上鑽一個小而淺的盲孔，實測後，可將盲孔磨掉，保證結構完好。

2）檢測的工作量少，速度快。

3）採用小標距電阻應變片測得的殘餘應力接近於點應力，誤差比較小。*第二節材料表面性能電測技術

一、表面粗糙度測量

1、觸針式表面輪廓儀

傳統的觸針式表面輪廓儀一般是二維表面粗糙度檢測裝置(圖a));圖b)為電腦控制的數字表面輪廓儀。感測器驅動裝置放大器放大倍率選擇濾波器截斷長度選擇Ra讀數計筆式記錄儀觸針a)傳統的表面輪廓儀*感測器驅動裝置放大器放大倍率選擇濾波器截斷長度選擇A/D轉換器觸針b)電腦控制的表面輪廓儀電腦印表機*

在現代電子與電腦高度發展的今天，決定檢測精度、可靠性、檢測範圍的關鍵部件是觸針本身以及感測器與驅動裝置。（1）觸針理論上觸針針尖半徑越小越好，它可分辨出更細微波長的平面度。但實際上針尖半徑不可能做得無限小。針尖的形狀和半徑均有國際標準。（2）感測器最常用的兩種為：線性差動變壓器（圖3-12a,P51)和鐳射干涉式感測器（圖3-12b,P51)。（3）驅動裝置使被檢測件與觸針在水準方向上發生相對運動：一般有電動機+齒輪齒條、電動機+滾珠絲杠、電動機+皮帶與滑臺等。*2、檢測要求與條件（1）採樣間隔是對檢測輪廓量化時在水準方向的量化間隔。通常採樣間隔是採用等間隔的形式，如圖3-14（P52）所示的

。

（2）取樣長度是表面分析與計算的基本長度，粗糙度的參數計算一般都是定義在一個取樣長度上，如圖3-14（P52）所示的取樣長度由l表示。*（3）截斷長度模擬濾波器的截斷長度

B（模擬系統中實現的取樣長度）即為取樣長度l（物理概念）。對於一個給定的截斷長度

B，大於該長度的粗糙度分量將被濾掉或衰減；小於該長度的分量將被保留。圖3-15a（P53）所示檢測信號，圖3-15b為被濾掉的分量（中線基準），圖3-15c則為濾波後的粗糙度信號。截斷長度（或取樣長度）在檢測時，應根據加工表面性質的不同，選用不同的標準。

*（4）評價長度模對一個表面的分析需從幾個取樣長度的統計平均意義上來考慮。若干個取樣長度的總和就稱為評價長度。（5）行程指觸針在一次檢測時的水準運動距離。理論上行程等於評價長度，但實際上應包含加減速所需的行程以及評價長度所具有的行程。*（6）針尖半徑針尖半徑和針尖角均具有國際標準。對於較光滑的表面應採用小針尖半徑的觸針，反之，應採用大針尖半徑的觸針。（7）檢測力觸針接觸於表面的作用力。國際標準中推薦的靜態測量力與動態變化力範圍見表3-2（P54）。（8）檢測速度為了預防在檢測過程中觸針遇到波峰時被彈起或崩斷，廠家一般都推薦了比較保守的檢測速度，約為0.1~1mm/s。*二、覆層厚度的檢測

通常是利用無損檢測（磁法、渦流法、超聲法、射線法、光學法、電容法、微波法、熱電勢法和石英振盪法等）。磁法是利用覆層和基體之間材料的磁導率不同；渦流法是利用材料的電導率不同；射線法是利用材料原子係數不同對射線的吸收係數和反散射係數也不同，等等各種方法應視具體條件和要求而加以選用，如基體與覆層為同一類型材料時，則用磁法和渦流法檢測覆層厚度比較困難，當兩者的物理參數都十分相近時就幾乎無法檢測。*

圖3-16（P55）為渦流法滲氮層厚度測量電路方塊圖，其基本原理是利用一個載有高頻電流線圈的探頭，在測試樣表面產生高頻磁場，由此引起金屬內部產生渦流，此渦流產生的磁場又反作用於探頭內線圈使其阻抗發生變化。*第三節工件表面缺陷電測技術

一、磁力探傷法

1、原理被測工件材質：導磁性金屬。原理：若工件中有缺陷，在缺陷處，磁力線將發生彎曲，在工件表面將發生漏磁現象。如在工件表面撒上磁粉，則在表面漏磁處將產生磁粉聚集和定向現象，表明此處有缺陷存在。*2、磁力探傷方法（1）縱向磁化法：導在被檢工件外面繞以線圈並通電磁化，或將電磁鐵兩極放在垂直於工件軸向的工件表面上，此時，在工件內會產生與工件軸向平行的磁力線簇。它分為以下三種：

1）鐵軛磁化法將電磁鐵軛夾住工件，通電使工件磁化（圖3-20a,P57)。

2）線圈開端磁化法在被檢工件上繞以數圈導線，通電使工件磁化（圖3-20b)。

3）線圈閉端磁化法除在被檢工件上繞以線圈外，還將鐵軛與工件接觸（圖3-20c)。*

（2）周向磁化法：縱向磁化法產生的磁力線沿軸向分佈，不易檢測軸向方位缺陷。為此，必須採用周向（橫向）磁化法檢驗。它分為以下四種：

1）直接通電磁化法對被檢工件直接通以低壓大電流（圖3-21a,P57)。

2）中間穿棒磁化法如果被檢工件為圓管形，可用非鐵磁性導體插入工件空心處並通以電流，使空心工件表面磁化（圖3-21b)。

3）電纜磁化法電流通過穿繞環形工件的專用電纜，探測工件表面沿軸向分佈的缺陷（圖3-21c)。

4）局部通電磁化法對於大型工件，可對被檢部位直接通電進行局部磁化。*

（2）複合磁化法：採用單一磁化法難以檢驗那些與磁化方向成一定角度的缺陷。因此先進的磁力探傷儀一般要對工件施以縱向和周向磁化法，稱為複合磁化法。它分為以下二種：

1）交、直流複合磁化法將被檢工件置於通以直流電的螺管線圈中或夾於鐵軛的兩極之間，同時又對工件進行交流周向磁化（圖3-22,P58)。

2）三相半波整流複合磁化法利用相位差為120OC的三相半波整流電流，在三個相互垂直的方向上對工件進行磁化。

*3、缺陷的檢驗方法及缺陷的特徵（1）剩餘磁場檢驗法：對被檢工件暫態（小於0.5s)，斷電後澆注磁懸液2~3次，或將工件浸入磁懸液中10~20s，緩慢取出，靜止1~2min後觀察表面形態變化。（2）外加磁場檢驗法對難以用剩餘磁法檢驗的工件，必須考慮採用外加磁場檢驗。分濕法和幹法兩種。

1）濕法充磁與施加懸浮液同時進行。

2）幹法將磁粉噴成懸浮狀態並輕輕地漂浮到已磁化的區域中，然後進行檢查。*

（3）磁法探傷常見缺陷的特徵：常見缺陷有大小不等、形狀不一、分佈不規則的裂紋、夾渣、白點、疏鬆等。正確判斷（防止偽缺陷）應結合工藝過程來綜合考慮。*二、渦流探傷法

1、渦流探傷法原理及設備原理：當載有交變電流的檢測線圈靠近導電工件時，由於線圈磁場的作用，工件中將會感生出渦流（其大小等參數與工件中的缺陷等有關），而渦流產生的反作用磁場又將使檢測線圈的阻抗發生變化。因此，在工件形狀尺寸及探測距離等固定的條件下，通過測定探測線圈阻抗的變化，可以判斷被測工件有無缺陷存在。*（1）渦流探傷儀

由振盪器、探頭（檢測線圈及其裝配件）、信號輸出電路、放大器、信號處理器、顯示器、電源等幾部分組成。其原理方框圖如下圖所示。振盪器信號輸出電路放大器信號處理器放大器被測工件檢測線圈電源渦流檢測儀原理方框圖

振盪器產生的各種頻率的振盪電流流經檢測線圈，線圈產生交變磁場並在工件中感生渦流。受工件導電能力影響的渦流又會使檢測線圈的電性能發生變化。*

（2）渦流檢測儀的檢測線圈

由按檢測線圈與被測工件的相互位置關係可分為如下三類：

1）穿過式線圈將工件插入並通過線圈內部進行檢測。

2）內通過式線圈插入工件內部進行檢測。

3）放置式線圈（探頭）檢測時將線圈置於工件表面。*2、管件渦流探傷用於管件檢測的穿過式線圈如圖3-24（P61）所示；用於管件檢測的探頭式線圈如圖3-25（P61）所示。*第四節工件內部缺陷電測技術

目前，用於金屬內部缺陷探測的主要方法是X射線法和超聲波法。一、X射線探傷

1、原理（圖3-27，P62）射線穿過工件缺陷部分和無缺陷部分以後的射線強度比稱為“明暗度”，以公式表示為：其中，—X射線在該材料中的衰減係數；x—缺陷的厚度

A—吸收層厚度*2、X射線電視探傷技術（圖3-28，P62）

X射線電視探傷的穿透能力，取決於X射線機的功率。功率越大，穿透能力越強。*二、超聲波探傷

1、原理超聲波探頭發射出的超聲波如果遇到缺陷將被反射回來，由原探頭或接收探頭接收，變成電脈衝信號，經過放大器和掃描顯示，就可以檢驗出缺陷的存在並進行定位和定性分析。*

2、超聲波探傷設備按顯示缺陷的方式，超聲波探傷儀分A型（顯示缺陷的位置與大小）、B型（顯示出缺陷的大體形態）和C型（顯示出缺陷的平面圖形）。目前，工業探傷中應用最多的是A型脈衝反射式超聲波探傷儀（電路組成框圖如圖3-29，P63）。*

3、超聲波探傷對缺陷的判斷（1）缺陷定位

1）縱波計算法（圖3-30，P64）

其中，T0—螢光屏上、下邊界脈衝間距；

T—螢光屏上邊界脈衝與缺陷脈衝間距；

l0—工件厚度；

l—缺陷與介面的距離。*

2）橫波三角塊比較法（圖3-31，P65）

當反射脈衝與缺陷脈衝位置重合時，記