无损检测

注意: 超声波检测过程常采用脉冲波。
2.1.4 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： θ= arcsin 1.22(λ/D) (2-1) 可见， 波长越短，扩散角θ越小， 声能越集中。
2.1.3 超声波波型的分类 • 按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为： （1）纵波 L—— 介质质点的振动方向与波的传 播方向一致； （2）横波 S—— 介质质点的振动方向与波的传 播方向垂直； （3）表面波 R——介质质点沿介质表面做椭圆运 动；又称瑞利波； （4）板波 ——板厚与波长相当的薄板中传播的 超声波，板的两表面介质质点沿 介质表面做椭圆运动，板中间也 有超声波传播。又称兰姆波；
（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。
压电晶片 主声轴
N 近场区长度
N=D2 /4λ
超声场及 近场区
2.2.1 超声波在金属中的衰减定律
2.2 超声波在介质中的传播
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 = P0 · e-α·x (2-2) α——衰减系数；dB/m x ——声束传播的距离，即声程 m。
⑤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
① 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。 ②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。
2.3.1 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 ①透射与反射 w入 ② 反射系数 W K = W反/ W入×100%
反
2.3 超声波在介质中的传播
W透
③常见材料之间的界面反射系数
界面材料 反射系数K %
钢—钢
钢—变压器油 钢—有机玻璃 钢——水 有机玻璃—变压器 油 钢——空气 有机玻璃——空气
2.1 超声波检测物理基础
2.1.2 超声波的产生（发射）与接收 (1) 超声波的产生机理——利用了压电材 料的压电效应。 试验发现，某些晶体材料（如石英晶 体）做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压 缩时，表面就会产生电荷；此现象称为正 压电效应；反之，当对此晶片施加交变电 场时，晶体内部的质点就会产生机械振动， 此现象称为逆压电效应。具有压电效应的 晶体材料就称为压电材料。
0
81 77 88 17 100 100
④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。 ⑤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： Δ Z =| Z 2－Z 1| Δ 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 (2-4) 数值表征 Z = ρ·CL (2-5) 气体、液体、金属之间声阻抗之比约为： 1：3000：8000。
②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。 ③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。 ④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。
• (2-2)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α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 (2-3) • 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。
• 按声耦和方式不同分为：直接接触法、液 浸法超声检测； • 由于时间有限，本章将重点介绍： 脉冲反射法原理、 直接接触法、 A型显示方式、 纵波法、横波法
2.1.1 超声波的物理本质 它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹 性介质中的转播行为。 即超声频率的机械波。 一般地说，超声波频率越高，其能量 越大，探伤灵敏度也越高。 超声检测常用频率在 0.5～10 MHZ。
⑥ 绕射现象 • 当界面尺寸df<λ/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 L——入射纵波； ①参考图
α——纵波入射角； L1——反射纵波； αL——纵波L1反射角； S1——反射横波； αｓ——横波S1反射角； L2 ——折射纵波； βL——纵波L2折射角； o βｓ βL S2 L2
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。 ①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。 ②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。
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。
α αｓ αL
L
S1
L1
S2 ——折射横波；
βｓ——横波S2折射角。
②斯涅耳定律： SINSIN CL NhomakorabeaL
C L1

SIN S CS 1

L
SIN S CS 2

SIN L CL 2
（2－6)
S1
α αｓ αL
L1
βｓ βL S2 L2
(2)临界角的讨论及其应用意义 因 CL = CL1 ;α=α L ;由（2-6）式可推知: C arcsin( C sin l ) （2-7）
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： ①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。
(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！
L1 L2
（2-8） 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： CL1<CL2 , CL1 <CS2 <CL2 , 必有 α<βS<βL ；且α ，βS ，βL ；
arcsin(
C L1 Cs 2
sin s )
• 故当βL = 90°时，第二介质中只有横波。 此时对应的纵波入射角α；叫作第一临界角， 记为α1m。 这时，α1m = 27.6°。 • 当α ，使βs = 90°时，第二介质中只有表 面波。此时对应的纵波入射角α叫作第二临 界角，记为α2m = 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。
（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。
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！