《無(wú)損檢測(cè)復(fù)習(xí)》PPT課件.ppt

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1、1 三 .無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述 無(wú)損檢測(cè)的定義： 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一門新興的綜合性應(yīng) 用學(xué)科 。 它是以不損害被檢驗(yàn)對(duì)象的使用 性能為前提 ， 應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn) 象 ， 對(duì)各種工程材料 、 零部件 、 結(jié)構(gòu)件等 進(jìn)行有效地檢驗(yàn)和測(cè)試 ， 借以評(píng)價(jià)它們的 連續(xù)性 、 完整性 、 安全可靠性及某些物理 性能 。 主要內(nèi)容有兩點(diǎn)： 1.是否有缺陷 2.提供組織分布 、 應(yīng)力狀 態(tài) 2 無(wú)損檢測(cè)的目的： 定量掌握缺陷與強(qiáng)度的關(guān)系，評(píng)價(jià) 構(gòu)件的允許載荷、壽命或剩余壽命。檢 測(cè)結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu) 不完整性及缺陷情況，以便改進(jìn)制造工 藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，保 證設(shè)備安全、高效、可靠

2、地運(yùn)行。 3 質(zhì)量管理： 對(duì)非連續(xù)或連續(xù)加工的原材料、 零部件提供實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，如控制材料的 冶金質(zhì)量、加工工藝質(zhì)量、組織狀態(tài)、涂 鍍層的厚度以及缺陷的大小、方位與分布 等等。 在役檢測(cè)： 對(duì)裝置或構(gòu)件在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn) 行監(jiān)測(cè)，或者在檢修期間進(jìn)行定期檢測(cè)。 質(zhì)量鑒定： 對(duì)制成品（材料或零部件）在 進(jìn)行組裝或投入使用前，進(jìn)行最終檢驗(yàn)。 4 無(wú)損檢測(cè)一般有三種含義： 無(wú)損探傷 NDI (Nondestructive Inspection) 無(wú)損檢測(cè) NDT (Nondestructive Testing) 無(wú)損評(píng)價(jià) NDE (Nondestructive Evaluation) NDI僅檢測(cè)出缺陷（

3、探傷）； NDT以 NDI檢測(cè)結(jié)果為判定基礎(chǔ)，對(duì)檢測(cè)對(duì) 象的使用可能性進(jìn)行判定；此外還含有參數(shù)測(cè) 試的意思； NDE掌握對(duì)象的載荷、環(huán)境條件，對(duì)構(gòu)件的 完整性、可靠性及使用性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。 目前國(guó)內(nèi)一般統(tǒng)稱為 NDT，國(guó)外 NDE逐漸代 替 NDT。 第一章 超聲波檢測(cè) 1.1超聲檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí) 超聲波的產(chǎn)生依賴于做高頻機(jī)械振動(dòng)的“聲 源”和傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)，所以機(jī)械振動(dòng) 和波動(dòng)是超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)。 超聲波是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，超聲波 是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。與聲波和次聲波 在彈性介質(zhì)中的傳播類同，區(qū)別在于超聲波的頻 率高于 20kHz。 工業(yè)超聲波檢測(cè)常用的工作頻率為： 0

4、.510MHz。 一、超聲波的特點(diǎn) 1. 超聲波的方向性好： 超聲波具有像光波一樣 定向束射的特性。 2. 超聲波的穿透能力強(qiáng)： 對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而言， 它具有較強(qiáng)的穿透能力。例如在一些金屬材 料中，其穿透能力可達(dá)數(shù)米。 3. 超聲波的能力高： 超聲檢測(cè)的工作頻率遠(yuǎn)高 于聲波的頻率，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的 能量。 4. 遇有界面時(shí)，超聲波將產(chǎn)生反射、折射和波 型的轉(zhuǎn)換： 利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)這些 物理現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，使超聲檢測(cè)工 作的靈活性、精確度得以大幅度提高。 5. 對(duì)人體無(wú)害。 二、超聲波的分類 （一）描述超聲波的基本物理量 聲速： 單位時(shí)間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱 為聲

5、速，用符號(hào)“ c”表示。 頻率： 單位時(shí)間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中任一給定點(diǎn)所 通過(guò)完整波的個(gè)數(shù)稱為頻率，用符號(hào)“ f ”表示。 波長(zhǎng)： 聲波在傳播時(shí)，同一波線上相鄰兩個(gè)相位相 同的質(zhì)點(diǎn)之間的距離稱為波長(zhǎng)，用符號(hào)“ ”表示。 周期： 聲波向前傳播一個(gè)波長(zhǎng)距離時(shí)所需要的時(shí)間 稱為周期，用符號(hào)“ T”表示。 角頻率： 角頻率用符號(hào)“ ”表示。定義為 =2f。 上述各量之間的關(guān)系為： T=1/f=2 / =/c 圖 1-1 超聲波的分類 二、超聲波的分類 1） 超聲波的波型指的是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向 的關(guān)系 。 按波型可分為縱波 、 橫波 、 表面波和板波等 。 （ 1） 縱波 。 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)

6、的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同 的波叫縱波 ， 用 L表示 (見圖 1-2)。 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在交變拉壓應(yīng)力的 作用下 ， 質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮變形 ， 從而形成了縱波 。 縱 波傳播時(shí) ， 介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)疏密相間 ， 所以縱波有時(shí)又稱為壓縮波 或疏密波 。 能在任何介質(zhì)中傳播 ， 氣體 、 液體 、 固體 。 （ 2） 橫波 。 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的 波叫橫波 ， 用 S或 T表示 (見圖 1-3)。 橫波的形成是由于介質(zhì)質(zhì) 點(diǎn)受到交變切應(yīng)力作用時(shí) ， 產(chǎn)生了切變形變 ， 所以橫波又叫 做切變波 。 液體和氣體介質(zhì)不能承受切應(yīng)力 ， 只有固體介質(zhì)能 夠承受切應(yīng)力 ， 因而橫波只能在

7、固體介質(zhì)中傳播 ， 不能在液體 和氣體介質(zhì)中傳播 。 （ 3） 表面波 （ 瑞利波 ） 。 當(dāng)超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí) ， 對(duì)于有限介質(zhì)而言 ， 有一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟幢砻娌?(見 圖 1-4)， 受表面張力的作用 。 瑞利首先對(duì)這種波給予了理論上 的說(shuō)明 ， 因此表面波又稱為瑞利波 ， 常用 R表示 。 （ 4） 板波 （ 蘭姆波 ） 。 在板厚和波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)膹椥员“?中傳播的超聲波叫板波 (或蘭姆波 )。 板波傳播時(shí)聲場(chǎng)遍及整 個(gè)板的厚度 。 薄板兩表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為縱波和橫波的組合 ， 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡為一橢圓 ， 在薄板的中間也有超聲波傳播 (見 圖 1-5)。 板波按其傳播方式又可分為

8、對(duì)稱型 （ S型 ） 和非對(duì)稱 型 （ A型 ） 兩種 ， 這是由質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于板的中間層作對(duì)稱型還是 非對(duì)稱型運(yùn)動(dòng)來(lái)決定的 。 2) 超聲波由聲源向周圍傳播的過(guò)程可用波陣面進(jìn)行描述 。 如圖 1-6所示 ， 在無(wú)限大且各向同性的介質(zhì)中 ， 振動(dòng)向各方向 傳播 ， 用波線表示傳播的方向 ； 將同一時(shí)刻介質(zhì)中振動(dòng)相位 相同的所有質(zhì)點(diǎn)所連成的面稱為波陣面；某一時(shí)刻振動(dòng)傳播到 達(dá)的距聲源最遠(yuǎn)的各點(diǎn)所連成的面稱為波前 。 在各向同性介質(zhì) 中波線垂直于波陣面 。 在任何時(shí)刻 ， 波前總是距聲源最遠(yuǎn)的一 個(gè)波陣面 。 波前只有一個(gè) ， 而波陣面可以有任意多個(gè) 。 1.2 超聲場(chǎng)及介質(zhì)的聲參量簡(jiǎn)介 充滿超聲波的

9、空間或介質(zhì)中超聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)占據(jù) 的范圍叫超生場(chǎng) 。 一 、 描述超聲場(chǎng)的物理量 1.聲壓 p 當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，使介質(zhì) 中壓強(qiáng)交替變化。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng) P1與沒有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng) P0之差稱為該點(diǎn)的 聲壓，用 P表示 ,即 )Pa(01 PPP （ 1-2） 對(duì)于平面余弦波， 有： c c os ( )22xP A t （ 1-3） 式中： 為介質(zhì)的密度 ;c為介質(zhì)中的聲速； 為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振 幅； 為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的角頻率； 為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的 幅值； t為時(shí)間； x為質(zhì)點(diǎn)距聲源的距離； 為聲壓幅值。 由上式可知：超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓

10、幅值 Pm與角頻率成正 比，也就與頻率成正比。由于超聲波的頻率很高，遠(yuǎn)大于聲波 的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。 A AV m cAP m 2. 介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓幅值 Pm與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值 Vm之 比 ， 稱為聲阻抗 ， 常用 Z表示 ,單位為 g/(cm2s) ； kg/(cm2s) 。 在同一聲壓下 ， 聲阻抗 Z愈大 ， 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就愈小 。 聲阻 抗表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用 。 由式 (1-3)得 c V PZ m m （ 1-4） 氣體 、 液體和固體的聲阻抗相差較大： Z氣： Z液： Z金屬 =1： 3000： 8000 3. 單位時(shí)間內(nèi)垂直通

11、過(guò)單位面積的聲能 ， 稱為聲強(qiáng) ， 用 I表 示 ， 單位為 W/cm2。 對(duì)于平面縱波 ， 其聲強(qiáng) I為 Z PZVcAI 2m2 m 22 2 1 2 1 2 1 （ 1-5） 由式 (1-5)可知，超聲場(chǎng)中，聲強(qiáng)與角頻率平方成正比。由于超 聲波的頻率很高，故超聲波的聲強(qiáng)很大，這是超聲波能用于探 傷的重要依據(jù)。 4. 實(shí)際探傷中 ， 將聲強(qiáng) I1與 I2之比取對(duì)數(shù)的 10倍得到二者相差 的數(shù)量級(jí) ， 這時(shí)單位為 分貝 ， 用 dB表示 ， 即 )dB(lg10 2 1 I I （ 1-6） 根據(jù)式（ 1-5），有 m2 m1 2 1 lg20lg10 P P I I （ 1-7） 式中：

12、Pm1、 Pm2分別為聲強(qiáng) I1、 I2對(duì)應(yīng)的聲壓幅值。 對(duì)于線性良好的超聲波探傷儀 ， 示波屏上波高與聲壓成正 比 ， 即任意兩波高 H1、 H2之比等于相應(yīng)的聲壓 Pm1、 Pm2之比 ， 即 dBlg20lg20 2 1 2m m1 H H P P （ 1-8） 取自然對(duì)數(shù) ln， 單位則為奈培 。 有： 1 N P 8 .8 6 d B 1 d B = 0 .1 1 5 N P m 1 1 m 2 2 l n l n N PPH PH 二 、 1. 聲速表示聲波在介質(zhì)中傳播的速度 ， 它與超聲波的波型有 關(guān) ， 但更依賴于傳聲介質(zhì)自身的特性 。 因此 ， 聲速又是一個(gè)表 征介質(zhì)聲學(xué)特性

13、的參量 。 了解受檢材料的聲速 ， 對(duì)于缺陷的定 位和定量分析都有重要的意義 。 聲速又可分為 相速度 和 群速度 。 相速度是指聲波傳播到介 質(zhì)的某一選定相位點(diǎn)時(shí)在傳播方向上的聲速 。 群速度是指?jìng)鞑?聲波的包絡(luò)上具有某種特征 （ 如幅值最大 ） 的點(diǎn)上沿傳播方向 上的聲速 。 群速度是波群的能量傳播速度 。 （ 1） 縱波 、 橫波和表面波的聲速 。 縱波 、 橫波和表面波 的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì) 、 密度和泊松比決定的 ， 而 與頻率無(wú)關(guān) ， 即它們各自的相速度和群速度相同 ， 因此一般 說(shuō)到它們的聲速都是指相速度 。 不同材料聲速值有較大的差 異 。 在給定的材料中 ， 頻率越高

14、 ， 波長(zhǎng)越短 。 見 p16 同一固體介質(zhì)中 ， 縱波聲速 c1大于橫波聲速 cs， 橫波聲速 cs又大于瑞利波聲速 cr。 對(duì)于鋼材 ， c1 1.8cs， cs1.1cr。 （ 2） 板波的聲速 。 板波的聲速與其他波型不同 ， 其相 速度隨頻率變化而變化 。 相速度隨頻率變化而變化的現(xiàn)象被 稱為頻散 。 2. 超聲波的衰減指的是超聲波在材料中傳播時(shí) ， 聲壓或聲 能隨距離的增大逐漸減小的現(xiàn)象 。 引起衰減的原因主要有三 個(gè)方面：一是聲束的 擴(kuò)散 ；二是由于材料中的晶?；蚱渌?小顆粒引起聲波的 散射 ；三是介質(zhì)的 吸收 。 在超聲檢測(cè)中 ， 談到超聲波在材料中的衰減時(shí) ， 通常關(guān) 心的

15、是散射衰減和吸收衰減 ， 而不包括擴(kuò)散衰減 。 對(duì)于平面 波來(lái)說(shuō) ， 聲壓幅值衰減規(guī)律可用下式表示： xpp e0 （ 1-9） 圖 1-7 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 通常將反射波聲壓 Pr與入射波聲壓 P0的比值稱為聲壓反射 率 r， 將透射波聲壓 Pt和 P0的比值稱為聲壓透射率 t。 可以證明 ， r和 t的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 12 12 0 r ZZ ZZ p pr （ 1-11） 12 2 0 t 2 ZZ Z p pt （ 1-12） 式中： Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗； Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗。 為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系 ， 引入聲強(qiáng)反射率 R 和聲強(qiáng)透射率 T兩個(gè)

16、量 。 R為反射波聲強(qiáng) (Ir)和入射波聲強(qiáng) (I0)之 比； T為透射波聲強(qiáng) (It)和入射波聲強(qiáng) (I0)之比 。 2 12 122 0 r ZZ ZZr I IR 212 21 2 02 2 1 0 t 4 ZZ ZZ PZ PZ I IT t （ 1-13） （ 1-14） 聲波垂直入射到平界面上時(shí) ， 聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與 界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān) 。 在垂直入射時(shí) ， 界面兩側(cè)的聲波 必須滿足兩個(gè)邊界條件： 1、 一側(cè)聲壓等于另一側(cè)聲壓； 2、 兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等 ， 以保持波的連續(xù)性 。 對(duì)于脈沖反射技術(shù)來(lái)說(shuō) ， 還有一個(gè)有意義的量是聲壓往返 透過(guò)率 ， 如圖 1-8所示

17、。 通常入射聲壓經(jīng)過(guò)兩種介質(zhì)的界面透 射到試件中后 ， 均需經(jīng)過(guò)相反的路徑 （ 假設(shè)在工件底面的反射 為全反射 ） 再次穿過(guò)界面到第一介質(zhì)中才被探頭所接收 。 兩 次穿透界面時(shí)透射率的大小 ， 決定著接收信號(hào)的強(qiáng)弱 。 因此 ， 將聲壓沿相反方向兩次穿過(guò)界面時(shí)總的透射率稱為聲壓往返透 過(guò)率 (tp)， 其數(shù)值等于兩次穿透界面的透射率的乘積 ， 由式 （ 1-12） 可得 221 21 21p 4 ZZ ZZttt （ -15） 圖 1-8 聲壓往返透過(guò)率 圖 1-10 (a) 縱波入射； (b) 橫波入射 1) 反射 如圖 1-10（ a） 所示 ， 當(dāng)縱波以入射角 L傾斜入射到異質(zhì) 界面上時(shí)

18、 ， 將會(huì)在介質(zhì) 1中于入射點(diǎn)法線的另一側(cè)產(chǎn)生與法線 成一定夾角 rL的反射縱波 。 反射波與入射點(diǎn)法線之間的夾角 稱為反射角 。 入射縱波與反射縱波之間的關(guān)系符合幾何光學(xué)的 反射定律 ， 即 L=rL。 與光的反射不同的是 ， 當(dāng)介質(zhì) 1為固體時(shí) ， 界面上既產(chǎn)生 反射縱波 ， 同時(shí)又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生反射橫波 ， 即反射后同 時(shí)產(chǎn)生縱波與橫波兩種波型 。 這時(shí) ， 橫波反射角 rS與縱波入射 角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯奈爾定律相同 ， 為 ssL L L L 1 L 1 S 1 L 2 S 2 s in s ins in s in s inrr c c c c c （ 1-16） 若入射聲波

19、為橫波 ， 也會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象 ， 見圖 1-10（ b)， 這時(shí)橫波入射角 S與橫波反射角 rS相等 。 介質(zhì) 1為固體時(shí)縱波 反射角與橫波入射角之間的關(guān)系為 S L S 1 L 1 s in s in r cc （ 1-17） 由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無(wú)論是縱波入 射還是橫波入射，均有 。當(dāng)介質(zhì) 1為液體或氣體時(shí)， 則入射波和反射波只能為縱波。 LSrr 2） 當(dāng)兩種介質(zhì)聲速不同時(shí) ， 透射部分的聲波會(huì)發(fā)生傳播方向 的改變 ， 稱為折射 。 不論是縱波入射還是橫波入射 ， 只要介質(zhì) 2為固體 ， 則介質(zhì) 2中除有與入射波相同波型的折射波外 ， 均 可因在界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而

20、產(chǎn)生與入射波不同波型的折射波 。 這時(shí) ， 介質(zhì) 2中可能同時(shí)存在縱波與橫波 (見圖 1-10)。 折射角 與入射角之間的關(guān)系符合斯奈爾定律 。 折射角相對(duì)于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的 比率有關(guān) 。 同時(shí) ， 由于縱波聲速總是大于橫波聲速 ， 因此縱波 折射角 L要大于橫波折射角 S。 3） 當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)中的折射波型的聲速比第一種介質(zhì)中入射波 型的聲速大時(shí) ， 折射角大于入射角 。 此時(shí) ， 存在一個(gè)臨界入射 角 ， 在這個(gè)角度下 ， 折射角等于 90 。 大于這一角度時(shí) ， 第 二種介質(zhì)中不再有相應(yīng)波型的折射波 。 (1) 第一臨界角 。 當(dāng)入射波為縱波 ， 且 cL2cL1時(shí)

21、， 使縱波 折射角達(dá)到 90 的縱波入射角稱為第一臨界角 ， 用符號(hào) 表 示 。 當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時(shí) ， 第二介質(zhì)中不再有折射 縱波 。 1 2 a rc s i n L L c c (2) 第二臨界角 。 當(dāng)入射波為縱波 ， 第二介質(zhì)為固體 ， 且 cS2cL1時(shí) ， 使橫波折射角達(dá)到 90 的縱波入射角為第二臨界 角 ， 用符號(hào) 表示 。 通常在超聲檢測(cè)中 ， 臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體 ， 而 第一介質(zhì)為固體或液體的情況 。 這種情況下 ， 可利用入射角在 第一臨界角和第二臨界角之間的范圍 ， 在固體中產(chǎn)生一定角度 范圍內(nèi)的純橫波 ， 對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè) 。 1 2 a r c

22、 sin L S c c (3) 第三臨界角 。 第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種介質(zhì) 的界面上 ， 用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的 。 使縱波反射角達(dá)到 90 時(shí)的橫波入射角稱為第三臨界角 ， 用表示 。 4） 斜入射時(shí)反射波和透射波的聲壓關(guān)系較為復(fù)雜 。 但在超聲 檢測(cè)中 ， 關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化 。 對(duì)脈沖反射法 ， 更關(guān)心的是聲壓往返透過(guò)率隨入射角度的變 化 。 見 P22 1 1 a rc s i n S L c c 三 、 1） 平面波入射到曲界面上時(shí)的情況如圖 1-11所示 。 平面波束 與曲面上各入射點(diǎn)的法線成不同的夾角：入射角為 0 的聲線 沿原方向返回 ，

23、 稱為聲軸；其余聲線的反射角則隨著距聲軸距 離的增大而增大 。 當(dāng)曲面是球面時(shí) ， 反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于 一個(gè)焦點(diǎn)上；反射面為圓柱面時(shí) ， 反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一 條焦線上 。 此時(shí) ， 焦距 F與曲面曲率半徑 r的關(guān)系為 2 rF （ 1-18） 圖 1-11 平面波入射至曲面時(shí)的反射 三 、 1） 反射波波陣面的形狀取決于曲界面的形狀 。 （ 1） 界面為球面時(shí) ， 具有焦點(diǎn) 。 反射波波陣面為球面 ， 凹球面上的反射波好 像從實(shí)焦點(diǎn)發(fā)出的球面波 ， 凸球面上的反射波好像從虛焦點(diǎn)發(fā)出的球面波 。 （ 2） 界面為柱面時(shí) ， 具有焦軸 。 反射波波陣面為柱面 ， 凹柱面上的反射波好 像從

24、實(shí)焦軸發(fā)出的柱面波 ， 凸柱面上的反射波好像從虛焦軸發(fā)出的柱面波 。 聲速中心軸線上 ， 反射波的聲壓分別為： 球曲面： 柱曲面： 0 (x fpp xf 發(fā) 散 取 + ， 聚 焦 取 - ） 0 (x fpp xf 發(fā) 散 取 + ， 聚 焦 取 - ） 2） 平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲面上時(shí) ， 其透射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散 ， 如圖 1-12所示 。 這時(shí) 透 射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有 關(guān) ， 而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān) 。 對(duì)于凹面 ， c1c2時(shí)發(fā)散；對(duì)于凸面 ， c1c2時(shí)聚焦 ， c1c2時(shí)發(fā)散 。 透 射后的焦距 F為 1 21 c c r F （ 1-1

25、9） 圖 1-12 平面波在曲面上的透射 2） 平面波在曲面上的透射 透射波波陣面的形狀取決于曲界面的形狀。 如果曲面為球面時(shí)，則其波陣面為球面，透射波好像從焦點(diǎn)發(fā) 出的球面波，同理，曲面為柱面時(shí)，透射波波陣面為柱面，透 射波好像從焦軸發(fā)出的柱面波。 聲速中心軸線上，透射波的聲壓分別為： 球曲面： 柱曲面： t為聲壓透射率 0 (x fp t p xf 發(fā) 散 取 - ， 聚 焦 取 + ） 0 (x fp tp xf 發(fā) 散 取 - ， 聚 焦 取 + ） 2 0 1 2 2Z= Z tpt pZ 2) （ 1） 超聲波探頭的作用 。 超聲波探頭用于實(shí)現(xiàn)聲能和 電能的互相轉(zhuǎn)換 。 它是利用壓

26、電晶體的正 、 逆壓電效應(yīng)進(jìn)行換 能的 。 探頭是組成檢測(cè)系統(tǒng)的最重要的組件 ， 其性能的好壞直 接影響超聲檢測(cè)的效果 。 （ 2） 常用超聲波探頭的類型 。 超聲波檢測(cè)中由于被探測(cè) 工件的形狀和材質(zhì) 、 探測(cè)的目的 、 探測(cè)的條件不同 ， 因而要使 用各種不同形式的探頭 。 其中最常用的是 接觸式縱波直探頭 、 接觸式橫波斜探頭 、 雙晶探頭 、 水浸探頭與聚焦探頭 等 。 一般 橫波斜探頭的晶片為方形 ， 縱波直探頭的晶片為圓形 ， 而聚焦 聲源的圓形晶片為聲透鏡 。 所以聲場(chǎng)就有圓盤源聲場(chǎng) 、 聚焦聲 源聲場(chǎng)和斜探頭發(fā)射的橫波聲場(chǎng) 。 圖 1-21為一組探頭的圖片 。 1） 穿透法通常采

27、用兩個(gè)探頭 ， 分別放置在試件兩側(cè) ， 一個(gè) 將脈沖波發(fā)射到試件中 ， 另一個(gè)接收穿透試件后的脈沖信號(hào) ， 依據(jù)脈沖波穿透試件后幅值的變化來(lái)判斷內(nèi)部缺陷的情況 (見 圖 1-22)。 2） 脈沖反射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖波到試件內(nèi)部 ， 通 過(guò)觀察來(lái)自內(nèi)部缺陷或試件底面的反射波的情況來(lái)對(duì)試件進(jìn) 行檢測(cè)的方法 。 圖 1-23 顯示了接觸法單探頭直射聲束脈沖反 射法的基本原理 。 第二章 射線檢測(cè) 2.1 射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 一 、 射線的種類和頻譜 在射線檢測(cè)中應(yīng)用的射線主要是 X射線 、 射線和中子射線 。 X射線和 射線屬于電磁輻射 ， 而中子射線是中子束流 。 1) X X射線又稱倫琴

28、射線 ， 是射線檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一 種射線 ， 波長(zhǎng)范圍約為 0.0006 100 nm(見圖 2-1)。 在 X射線檢 測(cè)中常用的波長(zhǎng)范圍為 0.001 0.1 nm。 X射線的頻率范圍約為 3 109 5 1014 MHz。 圖 2-1 射線的波長(zhǎng)分布 二 、 X X射線是一種波長(zhǎng)比紫外線還短的電磁波 ， 它具有光的特 性 ， 例如具有反射 、 折射 、 干涉 、 衍射 、 散射和偏振等現(xiàn)象 。 它能使一些結(jié)晶物體發(fā)生熒光 、 氣體電離和膠片感光 。 X射線通常是將高速運(yùn)動(dòng)的電子作用到金屬靶 (一般是重 金屬 )上而產(chǎn)生的 ,見教材 p47。 圖 2-2是在 35 kV的電壓下操作

29、時(shí) ， 鎢靶與鉬靶產(chǎn)生的典型的 X射線譜 。 鎢靶發(fā)射的是連續(xù)光 譜 ， 而鉬靶除發(fā)射連續(xù)光譜之外還疊加了兩條特征光譜 ， 稱 為標(biāo)識(shí) X射線 ， 即 K 線和 K 線 。 若要得到鎢的 K 線和 K 線 ， 則電壓必須加到 70 kV以上 。 (2) 連續(xù) X射線的波長(zhǎng)在長(zhǎng)波方向 ， =；而在短波方向 ， 實(shí)驗(yàn)證明具有最短波長(zhǎng) min(見圖 2-2)， 且有 )nm(24.1m i n U （ 2-1） 式中： U為 X射線管的管電壓，單位為 kV。 四 、 射線通過(guò)物質(zhì)的衰減定律 1） 射線與物質(zhì)的相互作用主要有三種過(guò)程：光電效應(yīng) 、 康普 頓效應(yīng)和電子對(duì)的產(chǎn)生 。 這三種過(guò)程的共同點(diǎn)是都

30、產(chǎn)生電子 ， 然后電離或激發(fā)物質(zhì)中的其他原子；此外 ， 還有少量的湯姆森 效應(yīng) 。 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)隨射線能量的增加而減少 ， 電子 對(duì)的產(chǎn)生則隨射線能量的增加而增加 ， 四種效應(yīng)的共同結(jié)果是 使射線在透過(guò)物質(zhì)時(shí)能量產(chǎn)生衰減 。 （ 1） 光電效應(yīng) 。 在普朗克概念中每束射線都具有能量為 E=hv的光子 。 光 子運(yùn)動(dòng)時(shí)保持著它的全部動(dòng)能 。 光子能夠撞擊物質(zhì)中原子軌 道上的電子 ， 若撞擊時(shí)光子釋放出全部能量 ， 并將原子電離 ， 則稱為光電效應(yīng) (見圖 2-4)。 光子的一部分能量把電子從原子 中逐出去 ， 剩余的能量則作為電子的動(dòng)能被帶走 ， 于是該電子 可能又在物質(zhì)中引起新的電離

31、。 當(dāng)光子的能量低于 1 MeV時(shí) ， 光電效應(yīng)是極為重要的過(guò)程 。 另外 ， 光電效應(yīng)更容易在原子序 數(shù)高的物質(zhì)中產(chǎn)生 ， 如在鉛 (Z 82)中產(chǎn)生光電效應(yīng)的程度比 在銅 (Z=29)中大得多 。 圖 2-4 光電效應(yīng) （ 2） 康普頓效應(yīng) 。 在康普頓效應(yīng) (見圖 2-5)中 ， 一個(gè)光子撞 擊一個(gè)電子時(shí)只釋放出它的一部分能量 ， 結(jié)果光子的能量減弱 并在和射線初始方向成 角的方向上散射 ， 而電子則在和初始 方向成 角的方向上散射 。 這一過(guò)程同樣服從能量守恒定律 ， 即電子所具有的動(dòng)能為入射光子和散射光子的能量之差 ， 最 后電子在物質(zhì)中因電離原子而損失其能量 。 在絕大多數(shù)的輕金屬

32、中 ， 射線的能量大約在 0.2 3 MeV 范圍時(shí) ， 康普頓效應(yīng)是極為重要的效應(yīng) 。 康普頓效應(yīng)隨著射 線能量的增加而減小 ， 其大小也取決于物質(zhì)中原子的電子數(shù) 。 在中等原子序數(shù)的物質(zhì)中 ， 射線的衰減主要是由康普頓效應(yīng)引 起 ， 在射線防護(hù)時(shí)主要側(cè)重于康普頓效應(yīng) 。 圖 2-5 康普頓效應(yīng) （ 3） 電子對(duì)的產(chǎn)生 。 一個(gè)具有足夠能量的光子釋放出它的全部動(dòng)能而形成具 有同樣能量的一個(gè)負(fù)電子和一個(gè)正電子 ， 這樣的過(guò)程稱為電 子對(duì)的產(chǎn)生 。 產(chǎn)生電子對(duì)所需的最小能量為 0.51 MeV， 所以 光子能量 hv必須大于等于 1.02 MeV， 如圖 2-6所示 。 圖 2-6 電子對(duì)的產(chǎn)生

33、和消失 光子的能量一部分用于產(chǎn)生電子對(duì) ， 一部分傳遞給電子 和正電子作為動(dòng)能 ， 另一部分能量傳給原子核 。 在物質(zhì)中負(fù) 電子和正電子都是通過(guò)原子的電離而損失動(dòng)能 ， 在消失過(guò)程 中正電子和物質(zhì)中的負(fù)電子相作用成為能量各為 0.51 MeV的 兩個(gè)光子 ， 它們?cè)谖镔|(zhì)中又可以通過(guò)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng) 進(jìn)一步相互作用 。 由于產(chǎn)生電子對(duì)的能量條件要求不小于 1.02 MeV， 所以 電子對(duì)的產(chǎn)生只有在高能射線中才是重要的過(guò)程 。 該過(guò)程正 比于吸收體的原子序數(shù)的平方 ， 所以高原子序數(shù)的物質(zhì)電子 對(duì)的產(chǎn)生也是重要的過(guò)程 。 （ 4） 湯姆森效應(yīng) 。 射線與物質(zhì)中 帶電粒子 相互作用 ， 產(chǎn)生與

34、入射波長(zhǎng)相同的 散射線的現(xiàn)象叫做湯姆森效應(yīng) 。 這種散射線可以產(chǎn)生干涉 ， 能量衰減十分微小 ， 如圖 2-7所示 。 圖 2-7 湯姆森效應(yīng) 2） 射線的衰減是由于射線光子與物體相互作用產(chǎn)生光電效應(yīng) 、 康普頓效應(yīng) 、 湯姆森效應(yīng)或電子對(duì)的產(chǎn)生 ， 使射線被吸收和散 射而引起的 。 由此可知 ， 物質(zhì)愈厚 ， 則射線穿透時(shí)的衰減程度 也愈大 。 射線衰減的程度不僅與透過(guò)物質(zhì)的厚度有關(guān) ， 而且還與 射 線的性質(zhì) (波長(zhǎng) )、 物體的性質(zhì) (密度和原子序數(shù) )有關(guān) 。 一般 來(lái)講 ， 射線的波長(zhǎng)愈小 ， 衰減愈?。晃镔|(zhì)的密度及原子序數(shù)愈 大 ， 衰減也愈大 。 但它們之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的直線

35、關(guān)系 ， 而是成指數(shù)關(guān)系的衰減 ， 如圖 2-8所示 。 圖 2-8 寬束射線的 衰減 曲線 設(shè)入射線的初始強(qiáng)度為 I0， 通過(guò)物質(zhì)的厚度為 d， 射線能 量的線衰減系數(shù)為 ， 那么射線在透過(guò)物質(zhì)以后的強(qiáng)度 Id為 d d eII 0 （ 2-3） 因?yàn)樯渚€的衰減包括吸收和散射 ， 所以射線的衰減系數(shù) 是吸收系數(shù) 和散射系數(shù) 之和 ， 即 = + 。 由于物質(zhì)密度愈大 ， 射線在物質(zhì)中傳播時(shí)碰到的原子也愈 多 ， 因而射線衰減也愈大 。 為便于比較起見 ， 通常采用質(zhì)量衰 減系數(shù) ， 即 （ 2-4） 式中： 為物質(zhì)的密度； 為質(zhì)量吸收系數(shù)； /為質(zhì)量散射系數(shù)。 2.2 射線檢測(cè)的基本原理和方

36、法 一 、 射線檢測(cè)是利用 射線通過(guò)物質(zhì)衰減程度與被通過(guò)部位 的材質(zhì) 、 厚度和缺陷的性質(zhì)有關(guān)的特性 ， 使膠片感光成黑度不 同的圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ， 如圖 2-9所示 。 當(dāng)一束強(qiáng)度為 I0的 射線 平行通過(guò)被檢測(cè)試件 (厚度為 d)后 ， 其強(qiáng)度 Id由式 （ 2-3） 表示 。 若被測(cè)試件表面有高度為 h的凸起時(shí) ， 則 射線強(qiáng)度將衰減為 )( 0 e hd h II (2-8) 2.3 一 、 1） 靈敏度 靈敏度是指發(fā)現(xiàn)缺陷的能力 ， 也是檢測(cè)質(zhì)量的標(biāo)志 。 通常 用兩種方式表示： 一是絕對(duì)靈敏度 ， 是指在射線膠片上能發(fā)現(xiàn) 被檢測(cè)試件中與射線平行方向的最小缺陷尺寸； 二是相對(duì)靈敏 度

37、， 是指在射線膠片上能發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)試件中與射線平行方向的 最小缺陷尺寸占試件厚度的百分?jǐn)?shù) 。 若以 d表示為被檢測(cè)試件 的材料厚度 ， x為缺陷尺寸 ， 則其相對(duì)靈敏度為 %100 dxK （ 2-10） 2） 透度計(jì) 透度計(jì)又稱像質(zhì)指示器 。 在透視照相中 ， 要評(píng)定缺陷的實(shí) 際尺寸是困難的 ， 因此 ， 要用透度計(jì)來(lái)做參考比較 。 同時(shí) ， 還可以用透度計(jì)來(lái)鑒定照片的質(zhì)量和作為改進(jìn)透照工藝的依據(jù) 。 透度計(jì)要用與被透照工件材質(zhì)吸收系數(shù)相同或相近的材料制成 。 常用的透度計(jì)主要有兩種 。 （ 1） 槽式透度計(jì) 。 槽式透度計(jì)的基本設(shè)計(jì)是在平板上加工出一系列的矩形槽 ， 其規(guī)格尺寸如圖 2-11

38、所示 。 對(duì)不同厚度的工件照相 ， 可分別 采用不同型號(hào)的透度計(jì) 。 100%hK Td 圖 2-11 槽式透度計(jì)示意圖 (2) 金屬絲透度計(jì) 。 金屬絲透度計(jì)是以一套 （ 7 11根 ） 不同直徑 （ 0.1 4.0 mm） 的金屬絲均勻排列 ， 粘合于兩層塑料或薄橡皮中間而構(gòu) 成的 。 為區(qū)別透度計(jì)型號(hào) ， 在金屬絲兩端擺上與號(hào)數(shù)對(duì)應(yīng)的鉛 字或鉛點(diǎn) 。 金屬絲一般分為兩類 ， 透照鋼材時(shí)用鋼絲透度計(jì) ， 透照鋁合金或鎂合金時(shí)用鋁絲透度計(jì) 。 圖 2-12為金屬絲透度計(jì) 的結(jié)構(gòu)示意圖 (圖中 JB表示 “ 機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn) ” )。 圖 2-12 金屬絲透度計(jì)示意圖 %100dK 使用金屬絲透

39、度計(jì)時(shí)，應(yīng)將其置于被透照工件的表面，并 應(yīng)使金屬絲直徑小的一側(cè)遠(yuǎn)離射線束中心。這樣可保證整個(gè)被 透照區(qū)的靈敏度達(dá)到如下計(jì)算數(shù)值： （ 2-11） 式中： 為觀察到的最小金屬絲直徑； d為被透照工件部位的 總厚度。 2. 由于 X射線和 射線波長(zhǎng)短 、 硬度大 ， 對(duì)膠片的感光效應(yīng)差 ， 一般透過(guò)膠片的射線 ， 大約只有 1 左右能激發(fā)膠片中的銀鹽 微粒感光 。 為了增加膠片的感光速度 ， 利用某些增感物質(zhì)在射 線作用下能激發(fā)出熒光或產(chǎn)生次級(jí)射線 ， 從而加強(qiáng)對(duì)膠片的感 光作用 。 在射線透視照相中 ， 所用的增感物質(zhì)稱為增感屏 ， 其 增感系數(shù)為 量時(shí)，用增感屏所需曝光產(chǎn)生相同的攝影密度 時(shí)，

40、無(wú)增感所需曝光量在攝影密度為 D DK （ 2-12） 1） 熒光增感屏是利用熒光物質(zhì)被射線激發(fā)產(chǎn)生熒光實(shí)現(xiàn)增感 作用的 ， 其結(jié)構(gòu)如圖 2-13所示 。 它是將熒光物質(zhì)均勻地涂布在 質(zhì)地均勻而光滑的支撐物 (硬紙或塑料薄板等 )上 ， 再覆蓋一層 薄薄的透明保護(hù)層組合而成的 。 圖 2-13 熒光增感屏構(gòu)造示意圖 2） 金屬增感屏在受射線照射時(shí)產(chǎn)生 射線和二次標(biāo)識(shí) X射線 對(duì)膠片起感光作用 。 其增感較小 ， 一般只有 2 7倍 。 金屬屏 的增感特性通常是 ， 原子序數(shù)增加 ， 增感系數(shù)上升 ， 輻射波 長(zhǎng)愈短 ， 增感作用越顯著 。 但是原子序數(shù)越大 ， 激發(fā)能量也 要相應(yīng)提高 ， 如果

41、射線能量不能使金屬屏的原子電離或激發(fā) ， 則不起增感作用 ， 相反還會(huì)吸收一部分軟射線 。 如鉛增感屏 ， 當(dāng)管電壓低于 80 kV時(shí) ， 則基本上無(wú)增感作用 。 在生產(chǎn)實(shí)踐 中 ， 多采用鉛 、 錫等原子序數(shù)較高的材料作金屬增感屏 ， 因 為鉛的壓延性好 ， 吸收散射線的能力強(qiáng) 。 3） 金屬熒光增感屏是在鉛箔上涂一層熒光物質(zhì)組合而成的 ， 其結(jié)構(gòu)如圖 2-14所示 。 它具有熒光增感的高增感系數(shù) ， 又有 吸收散射線的作用 。 圖 2-14 金屬熒光增感屏結(jié)構(gòu)示意圖 4） 增感方式的選擇 增感方式的選擇通?？紤]三方面的因素：產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè) 的要求 、 射線能量和膠片類型 。 三 、 曝光參

42、數(shù)的選擇 1） 射線硬度是指射線的穿透力 ， 由射線的波長(zhǎng)決定 。 波長(zhǎng)越 短硬度越大 ， 則穿透力就越強(qiáng) ， 對(duì)某一物質(zhì)即具有較小的吸收 系數(shù) 。 X射線波長(zhǎng)的長(zhǎng)短由管電壓所決定 ， 管電壓愈高 ， 波長(zhǎng) 愈短 。 射線硬度對(duì)透照膠片影像的質(zhì)量有很大關(guān)系 。 因此 ， 選擇射線的硬度尤為重要 。 例如：當(dāng)一束強(qiáng)度為 I0的射線 ， 通 過(guò)被透照厚度為 d的物體后 ， 其強(qiáng)度將衰減為 Id(由公式 （ 2-3） 描述 )；通過(guò)一厚度為 x的缺陷后 ， 其強(qiáng)度為 Ix (由公式 （ 2-9） 描述 )。 Ix Id稱為對(duì)比度或主因襯度 ， 即 x d x e I I )( （ 2-13） 假設(shè)缺

43、陷內(nèi)為空氣，則 可忽略不計(jì)。因而 x d x e I I （ 2-14） 在工業(yè)射線透照中 ， 總是希望膠片上的影像襯度盡可能高 ， 以保證檢測(cè)質(zhì)量 。 因此 ， 射線硬度盡可能選軟些 。 但是 ， 如果 希望在材料的厚薄相鄰部分一次曝光 ， 則要選用較硬的射線 。 為了提高某些低原子序數(shù) 、 低密度和薄壁材料的檢測(cè)靈敏 度 ， 應(yīng)采用軟射線 ， 即低能 X射線照相法 。 通常將 60 150 kV 定為中等硬度 X射線 ， 60 kV以下定為軟 X射線 。 2） 射線的曝光量 射線的曝光量通常以射線強(qiáng)度 I和時(shí)間 t的乘積表示 ， 即 E=It， E的單位為 mCih(毫居里 小時(shí) )。 對(duì)

44、 X射線來(lái)說(shuō) ， 當(dāng)管壓 一定時(shí) ， 其強(qiáng)度與管電流成正比 。 因此 X射線的曝光量通常用 管電流 i和時(shí)間 t的乘積來(lái)表示 ， 即 E =it (2-15) 其單位為 mAmin(毫安 分 )或 mAs(毫安 秒 )。 在一定范圍內(nèi)，如果 E為常數(shù)，則 i與 t存在反比關(guān)系： E =i1t1 = i2t2 (2-16) 一般在選用管電流和曝光時(shí)間時(shí) ， 在射線設(shè)備允許范圍內(nèi) ， 管電流總是取得大些 ， 以縮短曝光時(shí)間并減少散射線的影響 。 此外 ， X射線從窗口呈 直線錐體 輻射 ， 在空間各點(diǎn)的分布強(qiáng)度與 該點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離平方成反比 (見圖 2-15)。 即 2 1 2 2 2 1 )(

45、)( L L I I （ 2-17） 4) 焦距是指從放射源 (焦點(diǎn) )至膠片的距離 。 焦距選擇與射線 源的幾何尺寸和試件厚度有關(guān) 。 由于射線源有一定的幾何尺寸 ， 從而產(chǎn)生幾何不清晰度 Ug， 如圖 2-16所示 。 由相似三角形關(guān)系 ， 可以求出： g bU Fb （ 2-18） 式中： 為射線源的幾何尺寸； F為焦點(diǎn)至膠片的距離； a為焦 點(diǎn)至缺陷的距離； b為缺陷至膠片的距離。 為了減小幾何不清晰度，膠片都應(yīng)盡可能緊靠試件，焦距越大 越好。但焦距增大，使曝光時(shí)間急劇增加或者提高 X射線管電 壓。為了保證底片的影像質(zhì)量和縮短曝光時(shí)間，在滿足幾何不 清晰度要求下，焦距應(yīng)盡可能減小。 圖

46、 2-16 透照影像幾何不清晰度 5) 曝光曲線 1.不同管電壓下，材料厚度與曝光量的關(guān)系曲線， 材料厚 度 d與曝光量 x的關(guān)系為： Cdx （ 2-19） 式中： 為吸收系數(shù)；為常數(shù)。 x與 d呈線性關(guān)系。若以 x為縱 軸， d為橫軸，當(dāng)焦距一定時(shí)，則給定一個(gè)厚度 d，對(duì)應(yīng)于某一 管電壓可以求得一個(gè) x值。用各種不同的電壓試驗(yàn)時(shí)，就可以 得出一組斜率逐漸變化的曲線，如圖 2-17所示。 2.6 射線的防護(hù) 一 、 屏蔽防護(hù)法是利用各種屏蔽物體吸收射線 ， 以減少射線對(duì) 人體的傷害 ， 這是射線防護(hù)的主要方法 。 一般根據(jù) X射線 、 射線與屏蔽物的相互作用來(lái)選擇防護(hù)材料 ， 屏蔽 X射線和

47、 射 線以密度大的物質(zhì)為好 ， 如貧化鈾 、 鉛 、 鐵 、 重混凝土 、 鉛玻 璃等都可以用作防護(hù)材料 。 但從經(jīng)濟(jì) 、 方便出發(fā) ， 也可采用普 通材料 ， 如混凝土 、 巖石 、 磚 、 土 、 水等 。 對(duì)于中子的屏蔽除 能防護(hù) 射線之外 ， 還以特別選取含氫元素多的物質(zhì)為宜 。 二、 距離防護(hù)法 距離防護(hù)在進(jìn)行野外或流動(dòng)性射線檢測(cè)時(shí)是非常經(jīng)濟(jì)有 效的方法。這是因?yàn)樯渚€的劑量率與距離的平方成反比，增 加距離可顯著地降低射線的劑量率。若離放射源的距離為 R1 處的劑量率為 P1，在另一徑向距離為 R2處的劑量率為 P2，則 它們的關(guān)系為： 2 2 2 1 12 R R PP （ 6-49

48、） 顯然，增大 R2可有效地降低劑量率 P2，在無(wú)防護(hù)或護(hù)防層不夠 時(shí)，這是一種特別有用的防護(hù)方法。 三、 時(shí)間防護(hù)法 時(shí)間防護(hù)是指讓工作人員盡可能的減少接觸射線的時(shí)間，以 保證檢測(cè)人員在任一天都不超過(guò)國(guó)家規(guī)定的最大允許劑量當(dāng)量 (17mrem)。 人體接受的總劑量： D = Pt，其中， P為在人體上接受到的 射線劑量率， t為接觸射線的時(shí)間。 由此可見，縮短與射線接觸時(shí)間 t亦可達(dá)到防護(hù)目的。如每 周每人控制在最大容許劑量 0.1rem以內(nèi)時(shí)，則應(yīng)有 D 0.1rem； 如果人體在每透照一次時(shí)所接受到的射線劑量為 P時(shí)，則控制每 周內(nèi)的透照次數(shù) N 0.1 P ，亦可以達(dá)到防護(hù)的目的。 射

49、線照相膠片 1、射線膠片的結(jié)構(gòu) 由保護(hù)層、感光乳劑層、結(jié)合層及片基組成。感光乳 劑層是膠片最重要的部分，其主要成分是極細(xì)的 AgBr 顆粒和明膠。其作用是受射線照射時(shí)發(fā)生光化學(xué)作用， 產(chǎn)生潛相。當(dāng)膠片經(jīng)過(guò)顯影、定影等暗室處理后，才 能成為可見的黑度不同的影像 片基：透明塑料或滌綸等材料，是感光乳劑的支撐體，厚度 175300um. 感光乳劑：能在光量子作用下 電離形成潛像，經(jīng)顯影后形成 可見影像的物質(zhì)。成分為鹵化 銀（主要是 AgBr）微粒在明膠 中的混懸體。明膠中含有微量 的硫化 物，硫化物對(duì)射線作用有熒光產(chǎn)生，所以有增感 作用，它還能使鹵化銀微粒均勻分布在乳劑中。 它具有多孔性，對(duì)水有極大

50、的親和力，使暗室處 理時(shí)藥液能均勻滲透到感光乳劑層中，完成處理。 該層厚度 1015um,是膠片核心，決定膠片的感光 性能。 結(jié)合層：是一層膠質(zhì)膜，它將感光乳劑牢固的粘 接在片基上，防止在沖洗中乳劑脫落，厚度 12um 保護(hù)層：是一層較硬的膠質(zhì)，均勻的涂在感光乳 劑上，避免乳劑與外界直接接觸而被損壞。厚度 12um 與普通膠片的不同：雙面涂感光乳劑，普通的是 單面，為更多的吸收射線能量，乳劑層厚度遠(yuǎn)大 于普通型。 3、底片的黑 度 底片的黑度是指垂直入射到底片前的可見光強(qiáng)度 L0與 透過(guò)底片的可見光的強(qiáng)度 L之比的常用對(duì)數(shù)值，用 D表示， 即 D lg(L0/L) 金屬銀使底片變黑的程度，表示

51、底片的光線透過(guò)率大小， D越大，透過(guò)的光線越少，黑度越大。 D 1， L0/L=10，表示只有 1/10的光線透過(guò)底片。 D 2， L0/L=100，表示只有 1/100的光線透過(guò)底片。 4、膠片的特性曲線和 感光特性 （ 1）膠片的特性曲線：是描述 底片黑度和膠片曝光量之間的 關(guān)系曲線。 增感型膠片特性曲線 AB-灰霧區(qū)：不曝光區(qū)，灰霧度 D0 BC-曝光不足區(qū)：曝光閾值 CD-正常曝光區(qū)： D與 lgE成正 比 DE-曝光過(guò)渡區(qū) EF-負(fù)感區(qū) 應(yīng)盡可能使底片黑度處于正常曝光區(qū)內(nèi) ,正常曝光區(qū)滿足 D=GlgE+k 四、影像質(zhì)量 影響影像質(zhì)量的基本因素有 3個(gè)：對(duì)比度、不清晰度、顆粒度 1、

52、底片對(duì)比度 底片對(duì)比度是指底片上一個(gè)區(qū)域與相鄰區(qū)域的黑度差 D(D=D1-D2) ，又稱為反差或襯度。顯然 D越大，底片上 各種細(xì)節(jié)就越容易發(fā)現(xiàn)，即靈敏度越高。 (1)窄束射線的對(duì)比度 有厚度增量時(shí)， D =- 0.434 G x 有缺陷時(shí)， D =0.434(-)G x (2)寬束射線的對(duì)比度 寬束射線穿透工件時(shí)，其對(duì)比度 D為： D -0.434Gx/(1+n) n為散射比， n Is/I； x可視為工件厚度差。 當(dāng) n增加時(shí)， D 降低。 散射線對(duì)射線照相靈敏度的危害不僅使底片清晰度 下降，也使底片對(duì)比度降低。 若工件厚度差大，黑度差也大，則符合黑度要求的 可評(píng)區(qū)范圍減少。應(yīng)適當(dāng)提高管電

53、壓，降低 值。 2、 底片不清晰 度 底片清晰度是指底片上影像輪廓的清晰程度， 一般用底片上相鄰兩黑度區(qū)域分界線的寬度來(lái) 衡量，但定量描述清晰度比較困難，所以實(shí)際 探傷中，常用術(shù)語(yǔ)“不清晰度”來(lái)表示底片的 清晰程度。底片不清晰度和對(duì)比度一樣，是衡 量底片靈敏度的重要因素。 底片不清晰度一般分為幾何不清晰度、固有 不清晰度、散射不清晰度、屏不清晰度和運(yùn)動(dòng) 不清晰度。 第三章 渦流檢測(cè)技術(shù) 利用電磁感應(yīng)原理 ， 通過(guò)測(cè)定被檢工 件內(nèi)感生渦流的變化來(lái)無(wú)損地評(píng)定導(dǎo)電材 料及其工件的某些性能 ， 或發(fā)現(xiàn)缺陷的無(wú) 損檢測(cè)方法 。 稱為 渦流檢測(cè) 。 渦流檢測(cè)只能用于導(dǎo)電材料的檢測(cè) 。 對(duì)管 、 棒和線材等

54、型材有很高的檢測(cè)效率 。 3.1渦流檢測(cè)的基本原理 一、渦流檢測(cè)的基本原理 當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈 靠近 導(dǎo)電工件 時(shí) ， 由于線圈磁場(chǎng) 的作用 ， 工件中將會(huì)感生出渦流 （ 其大小等參數(shù)與工件中的缺陷 等有關(guān) ） ， 而渦流產(chǎn)生的反作用 磁場(chǎng)又將使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生 變化 。 因此 ， 在工件形狀尺寸及 探測(cè)距離等固定的條件下 ， 通過(guò) 測(cè)定探測(cè)線圈阻抗的變化 ， 可以 判斷被測(cè)工件有無(wú)缺陷存在 。 三、渦流的趨膚效應(yīng)和滲透深度 1.趨膚效應(yīng) 感應(yīng)出的渦流集中在靠近激勵(lì)線圈的材料 表面附近的現(xiàn)象。渦流密度隨著距離表面的 距離增加而減小。 2.滲透深度 趨膚效應(yīng)的存在，使交變電流激勵(lì)磁場(chǎng)的

55、強(qiáng)度及感生渦流的密度，從被檢材料的表面 到其內(nèi)部按指數(shù)分布規(guī)律遞減。將渦流密度 衰減為其表面密度的 1/e（ 36.8%）時(shí)對(duì)應(yīng)的 深度定義為： 503 : ; : ; : ; : r r h f hf 滲 透 深 度 (m) 電 流 頻 率 (Hz) 材 料 相 對(duì) 磁 導(dǎo) 率 電 導(dǎo) 率 (S/m) 通過(guò)式 （ 3-6） 可分析出影響線圈阻抗的因素是材料自身的 性質(zhì)和線圈與試件的電磁耦合狀況 ， （ 1） 電導(dǎo)率 。 （ 2） 圓柱體直徑 。 （ 3） 相對(duì)磁導(dǎo)率 r。 （ 4） 缺陷 。 （ 5） 檢測(cè)頻率 。 （ 3） 放置式線圈 。 在檢測(cè)過(guò)程中以軸線垂直于被檢工件 表面的方位放置在

56、其上的線圈為放置式線圈 。 用放置式線圈檢 測(cè)板材時(shí) ， 線圈阻抗的變化不僅與材料的電導(dǎo)率 、 磁導(dǎo)率等因 素的變化有關(guān) ， 而且還受線圈至板材表面的距離變化的影響 ， 此即所謂 “ 提離效應(yīng) ” 。 當(dāng)測(cè)定材料表面涂層或鍍層厚度時(shí) ， 要利用放置式線圈的提離效應(yīng) 。 而為了測(cè)量材料的電導(dǎo)率或進(jìn) 行材料探傷時(shí) ， 則要設(shè)法通過(guò)選擇頻率來(lái)減小提離效應(yīng)的干擾 。 提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性 。 二 、 渦流檢測(cè)線圈 （ 1） 按感應(yīng)方式分類 。 按照感應(yīng)方式不同 ， 檢測(cè)線圈可 分為自感式線圈和互感式線圈 （ 又稱為參量式線圈和變壓器式 線圈 ） ， 見下圖所示 。 自感式線圈由單個(gè)線圈構(gòu)成 ，

57、 該線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng) ， 在導(dǎo) 電體中形成渦流 ， 同時(shí)又是感應(yīng) 、 接收導(dǎo)電體中渦流再生磁場(chǎng) 信號(hào)的檢測(cè)線圈 ， 故名自感線圈 。 互感線圈一般由兩個(gè)或兩組 線圈構(gòu)成 ， 其中一個(gè) （ 組 ） 是用于產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)在導(dǎo)電體中 形成渦流的激勵(lì)線圈 (又稱一次線圈 )， 另一個(gè) (組 )線圈是感應(yīng) 、 接收導(dǎo)電體中渦流再生磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)線圈 (又稱二次線圈 )。 不同感應(yīng)方式的檢測(cè)線圈 (a) 自感式線圈； (b) 互感式線圈 （ 2） 按應(yīng)用方式分類 。 按照應(yīng)用方式不同 ， 檢測(cè)線圈 可分為外通過(guò)式線圈 、 內(nèi)穿過(guò)式線圈和放置式線圈 。 放置式線圈又稱為探頭式線圈 。 在應(yīng)用過(guò)程中 ， 外通過(guò)

58、 式線圈和內(nèi)穿過(guò)式線圈的軸線平行于被檢工件的表面 ， 而放 置式線圈的軸線垂直于被檢工件的表面 。 這種線圈可以設(shè)計(jì) 、 制作得很小 ， 而且線圈中可以附加磁芯 ， 具有增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度 和聚焦磁場(chǎng)的特性 ， 因此具有較高的檢測(cè)靈敏度 。 (a) 放置式線圈； (b) 外通過(guò)式線圈； (c) 內(nèi)穿過(guò)式線圈 （ 3） 按比較方式分類 。 按照比較方式不同 ， 檢測(cè)線圈可 分為絕對(duì)式線圈和差動(dòng)式線圈 ， 而差動(dòng)式線圈又分標(biāo)準(zhǔn)比較式 和自比較式兩種 (見下圖 )。 絕對(duì)式線圈是一種只用一個(gè)檢測(cè)線圈進(jìn)行渦流檢測(cè)的方式 稱為絕對(duì)式線圈 ， 僅針對(duì)被檢測(cè)對(duì)象某一位置的電磁特性直 接進(jìn)行檢測(cè)的 ， 而不與被檢對(duì)

59、象的其他部位或?qū)Ρ仍嚇幽骋?部位的電磁特性進(jìn)行比較檢測(cè) 。 差動(dòng)式是指兩個(gè)檢測(cè)線圈反接在一起進(jìn)行工作的方式 。 (a) 絕對(duì)式線圈； (b) 自比較式線圈； (c)標(biāo)準(zhǔn)比較 式線圈 振蕩器產(chǎn)生各種頻率的振蕩電流通過(guò)檢測(cè)線圈， 線 圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)并在工件中感生渦流。當(dāng)試件存在 缺陷或物性變化時(shí)，線圈電壓發(fā)生變化，通過(guò)信號(hào) 檢出電路將線圈電壓變化量輸入放大器放大，經(jīng)信 號(hào)處理器消除各種干擾信號(hào)，最后將有用的信號(hào)輸 入顯示器顯示檢測(cè)結(jié)果。 4.磁滯回線：描述磁 滯現(xiàn)象的閉合磁化 曲線。 飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度 Bm 剩磁 Br 矯頑力 Hc 鐵磁性材料的特性： 1）高導(dǎo)磁性 2）磁飽和性 3）磁滯性 根據(jù)矯頑

60、力 Hc大小分為軟磁材料 （ Hc400A/m）和硬磁材料 （ Hc8000A/m）。 (1)軟磁材料 是指磁滯回線狹長(zhǎng)，具有 高磁導(dǎo)率、低剩磁、低矯頑力和低磁阻 的鐵磁性材料。軟磁材料磁粉檢測(cè)時(shí)容 易磁化，也容易退磁。軟磁材料如電工 用純鐵、低碳鋼和軟磁鐵氧體等材料。 (2)硬磁材料 是指磁滯回線肥大，具有 低磁導(dǎo)率、高剩磁、高矯頑力和高磁阻 的鐵磁性材料。硬磁材料磁粉檢測(cè)時(shí)難 以磁化，也難以退磁。硬磁材料如鋁鎳 鈷、稀土鈷和硬磁鐵氧體等材料。 2、磁力檢測(cè)原理 基本原理：鐵磁材料被磁化后，在其 表面和近表面的缺陷處磁力線發(fā)生變 形，逸出工件表面形成漏磁場(chǎng)。用上 述的方法將漏磁場(chǎng)檢測(cè)出來(lái)并確

61、定缺 陷位置及形狀、大小和深度。 一、磁粉檢測(cè)原理 鐵磁性材料被磁化 后，由于工件存在不 連續(xù)性，則工件表面 和近表面的磁力線會(huì) 發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生 漏磁場(chǎng)，吸附施加在 表面的磁粉，在適合 的光照條件下，形成 可見的磁痕，從而顯 示不連續(xù)性的大小、 位置、形狀和嚴(yán)重程 度。 二、磁化過(guò)程 1、磁化方法 （ 1）周向磁化 在被檢工件上直接通電，或讓電流通過(guò)平行 于工件軸向放置的導(dǎo)體的磁化方法。 目的是建立起環(huán)繞工件周向并垂直于工件軸 向的閉合周向磁場(chǎng)，以發(fā)現(xiàn)取向基本與電流方 向平行的缺陷。 有如下方法： （ 2）縱向磁化 用環(huán)繞被檢工件或磁軛鐵心的勵(lì)磁線圈在 工件中建立起沿其軸向分布的縱向磁場(chǎng)，

62、以 發(fā)現(xiàn)取向基本與工件軸向垂直的缺陷。常用 磁軛法和線圈法： （ 3）復(fù)合磁化 同時(shí)在被檢工件上施加兩個(gè)或兩個(gè)以上不同 方向的磁場(chǎng)。 3、檢測(cè)方法 （ 1）連續(xù)法 在有外加磁場(chǎng)作用的同時(shí)向被檢表面施 加磁粉或磁懸液的檢測(cè)方法稱為連續(xù)法。 低碳鋼及所有退火狀態(tài)或經(jīng)過(guò)熱變形的 鋼材均應(yīng)采用連續(xù)法，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大 型構(gòu)件也宜采用連續(xù)法。操作程序如下： 1）濕法連續(xù)磁化 在磁化的同時(shí)施加磁懸液，每次磁化的 通電時(shí)間為 0.5-2s，磁化間歇時(shí)間不超過(guò) 1s，至少在停止施加磁懸液 1s后才可停止 磁化。 2）干粉連續(xù)磁化 先磁化后噴粉，待吹去多余的磁粉后才 可以停止磁化。 連續(xù)法靈敏度高，但效率低，易

63、出現(xiàn)干 擾顯示。復(fù)合磁化法只能在連續(xù)法檢測(cè)中 使用。 （ 2） 剩磁法 利用磁化后被檢工件上的剩磁進(jìn)行磁粉檢測(cè)。 在經(jīng)過(guò)熱處理的高碳鋼或合金鋼中，凡剩余磁 感應(yīng)強(qiáng)度在 0.8T以上，矯頑力在 800A/m以上 的材料均要可用剩磁法檢測(cè)。 檢測(cè)程序： 預(yù)處理 -磁化 -施加磁懸液 -觀察 -退磁 -后處理 剩磁的大小主要取決于磁化電流的峰值，而 通電時(shí)間原則上控制在 0.25-1s。 一般不使用干粉。 6、后處理 清理被檢工件表面上殘留的磁粉或磁懸液。 油磁懸液：汽油 水磁懸液：水沖洗，干燥，防護(hù)油 磁粉：直接用壓縮空氣 第五章 滲透檢測(cè) 滲透檢測(cè)是一種檢測(cè)材料（或零件） 表面或近表面開口缺陷的

64、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 它幾乎不受被檢部件的形狀、大小、組織 結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和缺陷方位的限制，可廣 泛適用于鍛件、鑄件、焊接件等各種加工 工藝的質(zhì)量檢驗(yàn)，以及金屬、陶瓷、玻璃、 塑料、粉末冶金等各種材料制造的零件的 質(zhì)量檢測(cè)。 滲透檢測(cè)受被檢物體表面粗糙度的影 響較大，不適用于多孔材料及其制品的檢 測(cè)。 5.1 滲透檢測(cè)的基本原理 5.1.1滲透檢測(cè)的基本原理 是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢測(cè) 技術(shù)，主要用于檢測(cè)非疏孔性的金屬或非 金屬零部件的表面開口缺陷。 將溶有熒光染料或著色染料的滲透液 施加到被檢對(duì)象的表面，由于毛細(xì)作用， 滲透液滲入到細(xì)小的表面開口缺陷中，清 除附著在工件表面的多余滲透液，經(jīng)干

65、燥 后再施加顯像劑，缺陷中的滲透液在毛細(xì) 現(xiàn)象的作用下被重新吸附到零件表面上， 就形成放大了的缺陷顯示，即可檢查出缺 陷的形貌和分布狀態(tài)。 5.2滲透檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 5.2.1表面張力和表面張力系數(shù) 5.2.1.1表面張力 由于表層分子受到內(nèi)部分子的吸引，都趨向 于擠入液體內(nèi)部，以使溶體表面層盡量縮小， 結(jié)果在表面的切線方向上便有一種縮小表面 積的力，稱為表面張力。 表面張力產(chǎn)生的原因： 液體表面分子受內(nèi)部液體分子的吸引力大于 氣體對(duì)其的吸引力，使其合力為向下的力， 此合力即表面張力，方向指向液體內(nèi)部，力 圖使液體表面積收縮到盡可能達(dá)到的最小程 度。 5.2.2潤(rùn)濕現(xiàn)象 5.2.2.1 潤(rùn)濕和

66、不潤(rùn)濕 能被水潤(rùn)濕的物質(zhì)叫親水物質(zhì)，如玻璃、石 英、方解石、長(zhǎng)石等；不能被水潤(rùn)濕的物質(zhì)叫 做疏水物質(zhì)，如石蠟、石墨、硅黃等。 5.2.2.2 接觸角和潤(rùn)濕方程 1.接觸角 液面在接觸點(diǎn)的切線與包括該液體的固體 表面之間的夾角（從三相交點(diǎn)向液體表面 做切線，與固液界面之間的夾角即為接觸 角。 ） 2.潤(rùn)濕方程 : cos=(FS-FSL )/FL （這是因?yàn)?FS= FL cos+ FSL ） 90度，稱為不潤(rùn)濕 滲透檢測(cè)中，滲透液 對(duì)工件表面的良好潤(rùn) 濕是進(jìn)行滲透檢測(cè)的 先決條件。只有當(dāng)滲 透液能充分潤(rùn)濕工件 表面時(shí)，滲透液才能 向狹窄的縫隙內(nèi)滲透。 此外，滲透液還必須 能潤(rùn)濕顯像劑。 5.2.3 毛細(xì)現(xiàn)象 5.2.3.1 毛細(xì)管和毛細(xì)現(xiàn)象 潤(rùn)濕的液體在毛細(xì)管 中呈凹面并且上升，不 潤(rùn)濕的液體在毛細(xì)管中 呈凸面并且下降的現(xiàn)象， 稱為毛細(xì)現(xiàn)象。 5.2.5 乳化作用 5.2.5.1乳化現(xiàn)象和乳化劑 由于表面活性劑的作用，使本來(lái)不能混合 到一起的兩種液體能夠混合在一起的現(xiàn)象稱 為 乳化現(xiàn)象 。 具有乳化作用的表面活性劑稱為 乳化劑 。 5.3.1.2滲透液的分類與組成 1.著色滲透液 （