无损检测与失效分析

在不损坏被检验对象的使用性能为前提，以物理或化学方法为手段 （借助先进的技术和设备器材），对试件的内部及表面结构、性质、 状态进行检查和测试的方法，从而对其进行连续性、完整性、安全 可靠性及某些物理性能的测试。 具体包括：探测材料或构件中是否含有缺陷，并对缺陷的形状、大 小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判断，还能提供组织分 布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。 分析材料（或构件）在不同势场作用下的物理性质，并测量材料 （或构件）性能的细微变化，说明产生变化的原因并评价其适用性， 就构成了无损检测工作的基本内容。
金属构件的失效形式


腐蚀失效 : 腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的 反应，使材料发生损坏或变质的现象，构件发生的腐蚀使 其不能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式， 有均匀遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局 部腐蚀，局部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应 力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。 磨损失效 当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触 并作相对运动时，由于物理和化学的作用，材料表面的形 状、尺寸或质量发生变化的过程，称为磨损。由磨损而导 致构件功能丧失，称为磨损失效。磨损有多种形式，其中 常见粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微损、腐蚀磨损、 疲劳磨损等。
无损检测与失效分析的联系和区别


联系：目的都是对于材料、零件以及产品的质量的维护与 提高，都是为了避免失效和破坏等事故的发生。 区别：无损检测通常是在失效发生以前进行的预防性措施 （未雨绸缪），而失效分析通常是在失效发生以后进行追 溯性的分析，从而找出原因，提出改进和预防的措施（亡 羊补牢）。此外，失效分析包括对于失效事故进行的所有 检测和分析，而检测和分析手段非常多样，其中就可能包 括无损检测。
超声波检测方法

试块的选择

在当量法中所采用的具有简单几何形状的人工 反射体的试件称为试块。其主要作用是用来调 整和确定探伤仪的测定范围，确定合适的检测 方法、检测仪器和探头的性能以及检测灵敏度、 测量材料的声学特性（声速、声衰减、弹性模 量）。 耦合剂多采用机油，甘油，硅油。

声波的耦合

超声检测方法


超声波探伤原理


超声波探伤：是利用超声波通过两种介质的界面时发生 反射和折射的特性来探测零件内部的缺陷。 超声波探伤方法按波的传播方式分为脉冲反射波法和透 射波法。 脉冲反射波法是利用脉冲发生器发出的电脉冲激励探头 晶体产生超声脉冲波。超声波以一定的速度向零件内部 传播。遇到缺陷的波发生反射，得到缺陷波，其余的波 则继续传播至零件底面后发生反射，得到底波。探头接 收发射波、缺陷波和底波，放大后显示在荧光屏上。
当缺陷尺寸大于探头波束宽度时，测量尺寸精度较高。适合高衰减的材料。 对发射探头和接收探头的位置要求严格，需专门的探头支架。当选择好耦合剂 后，特别适用于单一产品大批量加工制造过程中的机械自动化检测。 探头与试件相对位置布置得当后，即可进行检测，在试件中几乎不存在盲区。
超声检测方法
脉冲反射法
应用最广泛的一种超声波检测方法。 其中以直接接触式脉冲反射法最为常见，按检测时所使 用的波型可以分为：纵波法、横波法、表面波法、板波 法。 在某些特殊情况下，需要采用两个探头，有时则需要在 液浸的情况下。 工作原理： 利用超声波在试件内传播的过程中，遇有声阻抗相差较 大的两种介质的界面时，将发生反射的原理进行检测的 方法。
优点：


检测灵敏度高，能发现较小的缺陷。 当调整好仪器的垂直线性和水平线性后，可得到较高的检测精度。 适用范围广，适当改变耦合方式，选择一定的探头以实现预期的探测波 型和检测灵敏度，或者说，可采用多种不同的方法对试件进行检测。 操作简单、方便、容易实施。 单探头检测往往在试件中留有一定盲区。 由于探头的近场效应，故不适用与薄壁试件和近表面缺陷的检测。 缺陷波的大小与被检缺陷的取向关系密切，容易有漏检现象发生。 因声波往返传播，故不适用于衰减太大的材料。
金属构件的失效原因


设计不合理 选材不当及材料缺陷 制造工艺不合理 使用操作不当和维修不当
失效分析与其他学科的关系
无损检测的定义

采用不破坏产品原来的形状、不改变使用 性能的检测方法，对产品进行百分之百的 检测（或抽检），以确保产品的安全可靠 性，这种技术就是无损检测技术。
无损检测的内容
超声波检测方法

超声波检测通用技术

仪器选择

A型、B型、C型、三维型
探头的选择



超声波换能器：以压电效应为工作原理的超声波探头，应用 最广，数量最多。 换能器主要由压电晶体组成。利用石英、钛酸钡的正压电效 应产生超声披，逆压电效应接收超声波。压电晶体在交变电 压作用下，在晶体厚度方向产生伸缩变形，产生与交变电压 频率相同的机械振动，即产生超声波。当把高频振动(超声 波)作用在晶体上，在晶体的两个电极之间产生与超声波频 率相同、强度与超声波成正比的高频电压，即接收超声波。 总功率一定的情况下，探头的精度和覆盖面积是成反比的。
无损检测与失效分析
Non-destructive Testing and Failure Analysis
材料学院 张毓隽
教材及参考书目
教材：
1.《无损检测》，李喜孟，北京，机械工业出版社，2011。 2.《金属构件失效分析》，廖景娱，北京，化学工业出版社，2011.
参考书目：
1.《无损检测》，邵泽波，北京，化学工业出版社，2011. 2.《无损检测新技术》，宋天民，北京，中国石化出版社，2012. 3.《失效分析新技术》，陶春虎，何玉怀，刘新灵，北京，国防工业出 版社，2011.

失效的特点：

局部性。 突然性。 频发性。

失效分析的定义：

对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失 效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出 产生失效的主要原因及防止失效的措施。
失效分析的意义：

促进科学技术发展

疲劳断裂学的诞生 自由轮事件 交叉学科 日本与德国的汽车制造业
超声波检测



超声检测的基础知识
超声波是一种机械振动波,是超声振动在介质中的传播。实质 是机械振动以波的形式在弹性介质中的传播。 听觉范围:声波频率在l6Hz-20kHz 次声波:频率小于l6Hz的声波 超声波:频率超过20kHz的声波 超声波具有频率高、波长短、传播能量大、穿透力强、指向性 好的特点。超声波在均匀介质中沿直线传播，遇到界面时发生 反射和折射。并且可以在任何弹性介质(固体、液体和气体)中 传播。在工业超声波探伤中传播介质主要是固体，液体作为耦 合剂以减少声能损失。



成绩评定： 1、平时成绩（出勤20%、作业20%）40%； 2、期末考试60%。 学时：32 学分：2
第一章 绪论
•失效的定义：
仪器装备及其构件在使用的过程中，由于应力、时间、温度、环 境介质和操作失误等因素的作用，失去原有功能的现象，称为失 效。
•失效的危害实例：
• 1912年，Titanic号的沉没，船上705人生还，船长，和设计 师和1559人沉入海底。其原因就是低温下焊缝脆性断裂引 起的失效。 • 2010年，发生在美国墨西哥湾的英国抽油井水原油泄漏， 其原因就是在发生抽油井爆炸时，井下的阀门（防喷阀） 无法关闭。结果造成大量原油泄漏，经济损失高达几百亿 美元的损失和企业股票的严重下滑，同时也给该地区的海 洋生态环境造成无法估量的损失。
无损检测方法的选用原则
经济原因 技术原因

无损检测的类型



超声波检测（Ultrasonic Testing）：对面状缺陷敏感 射线检测（Radiography Testing）：对体积型缺陷比较敏 感 涡流检测（Eddy current Testing ）：对开口或近表面缺 陷、磁性和非磁性的导电材料比较适用。 磁粉检测（Magnetic Testing）：只适用于铁磁性材料。 渗透检测（Penetrant Testing）：只适用于表面开口缺陷 的检测。
无损检测的应用

机械制造、石油化工、造船、汽车、航空 航天和核能等工业中被广泛利用。无损检 测工序在静态和（或）动态检测以及质量 管理中，已成为一个不可缺少的重要环节。 无损检测人员已发展为一只庞大的生力军， 并享有“工业卫士”的美誉。
无损检测的目的


质量管理
改进制造工艺、降低生产成本


在役检测


提高装备及其构件的质量

具有高经济效益和社会效益


失效分析能分清责任，为仲裁和执法提供依据 失效分析揭示了规章、制度、法规及标准的不足，为 其修改提供依据。
金属构件的失效形式



弹性变形失效 当应力或温度引起构件可恢复的弹性变 形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现弹 性变形失效。 塑性变形失效 当受载荷的构件产生不可恢复的塑性变 形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现塑 性变形失效。 韧性断裂失效 构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变 形的断裂称为韧性断裂失效。 脆性断裂失效 构件在断裂之前没有发生或很少发生宏 观可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。 疲劳断裂失效: 构件在交变载荷作用下，经过一定的周 期后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。

缺点：

超声检测方法

直接接触法 液浸法
在探头和试件之间填充一定厚度的液体介质 作耦合剂，使声波首先经过液体耦合剂， 而后再入射到试件中去，探头与试件并不 直接接触，从而克服了直接接触法的上述 缺点。 优缺点：
超声波检测技术的应用




大型锻件的超声检测 铸件缺陷的检测 小型压力容器壳体超声检测 复合材料检测 焊接接头缺陷的超声检测 非金属材料检测
共振法
应用共振现象对试件进行检测的方法。 通过连续调整声波的频率以改变波长，使试件的厚度为声波半波长的整数 倍，即形成驻波。
透射法
又叫穿透法，是最早采用的一种超声检测技术。其原理为：将发射探头和 接收探头分别置于试件的两个相对面上，根据超声波穿透试件后的能量 变化情况，来判断试件内部质量的方法。 优缺点：
超声波测量技术



声速测量 超声波测厚 超声波衰减系数的测定 超声波测量液位 超声波测量流量 超声波测量温度 其他超声波测量方法
射线检测



射线的种类 波长较短的电磁波3和速度高、能量大的粒子流都 叫射线。射线由射线源向外发射的过程称为辐射， 一般可分为电离辐射和非电离辐射两大类。前者 指那些能量很低，不足以引起物质电离的射线， 如微波辐射、红外线灯；后者指那些能够直接或 间接引起电离的辐射。 直接电离辐射通常是指那些带电离子，如阴极射 线、α射线、β射线和质子射线等。易与物质发生 作用，穿透力弱，一般不利用其进行无损检测。 而间接电离辐射是不带电的离子，如X射线、γ射 线及中子射线等。贯穿本领强，被广泛的用于无 损检测。
超声波探伤的特点


厚度:探测5~3000mm厚的金属或非金属材料的构件。 粗糙度:对零件表面粗糙度有一定要求。一般要求粗糙度 等级高于Ra6.3，表面清洁光滑，与探头接触良好。 盲区：零件表面一段距离内的缺陷波与初始波难于分辨， 难以探测缺陷。盲区的大小因超声波探伤仪不同而异， 一般为5~7mm。超声波探伤中对缺陷种类和性质的识别 较为困难，需借助一定的方法和技术。
保障产品的使用安全


质量鉴定
借助仪器和器材，可以发现目视检查无法发现的内外部宏观缺 陷；由于无损检测不需破坏试件，所以可以对产品进行100%检 验和逐件检验，为产品质量提供保证。
无损检测技术的发展



无损检测技术的发展是和材料物理性质研究的 进展一致的，所有目前世界上物理研究的新成 就和新方法都会很快利用在无损检测上。此外， 由于计算机技术向无损检测领域的移植和渗透， 无损检测技术得到了较大的进步。 发展的三个阶段； NDI（Non-destructive Inspection）无损探伤 NDT（Non-destructive Testing）无损检测 NDE（Non-destructive Evaluation）无损评价