第3章伤损检测基础知识.docx

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第3章伤损检测基础知识

第3章伤损检测基础知识

3.1常用无损探伤方法

无损检测（Non-destructiveTesting，简称NDT）是指在不破坏被检物体的前提下，借助于各种物理手段，对材料或构件进行缺陷检测、几何特性测量、化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就材料或构件对特定应用的适用性做出评价的一门学科。

无损探伤是无损检测中的一个重要组成部分，是以发现材料和构件中非连续性宏观缺陷即裂纹、夹杂、气孔等为主要目的。

无损探伤的方法种类很多，但在实际应用中较普遍的为超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤这五种常规方法，除此之外，还有红外监测、激光全息摄影、微波探伤、同位素射线示踪等非常规探伤技术。

由于超声波探伤是钢轨伤损检测的基础，本书将在以后几个章节重点介绍，以下针对其它几种常规探伤做简要介绍。

3.1.1射线探伤（RT，P4）

射线探伤是利用射线的穿透性和直线超声波探伤仪特性来探伤的方法。

这些射线可使照相底片感光，也可用特殊的接收器来接收。

依物体材料、缺陷和穿透距离的不同，射线强度将产生不同程度的衰减。

由此可见，射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感，不易发现裂纹。

即射线探伤适宜用于体积型缺陷探伤，而不适宜面积型缺陷探伤，如图3-1射线探伤原理。

图3-1射线探伤原理

1-射线源；2-工件；3-缺陷；4-嵌有胶片的暗盒；5-暗室处理后的底片及缺陷显示。

3.1.2磁粉探伤（MT，P4）

磁粉探伤是建立在漏磁原理基础上的一种磁力探伤方法。

当磁力线穿过铁磁材料及其制品时，在磁性不连续处将产生漏磁场，形成磁极。

此时撒上干磁粉或浇上磁悬液，磁极就会吸附磁粉，产生用肉眼能直接观察的明显磁痕。

磁粉探伤法可探测露出表面，用肉眼或借助于放大镜也不能直接观察到的微小缺陷，也可探测未露出表面，而是埋藏在表面下几毫米的近表面缺陷。

用这种方法虽然也能探查气孔、夹杂、未焊透等体积型缺陷，但对面积型缺陷更灵敏，更适于检查因淬火、轧制、锻造、铸造、焊接、电镀、磨削、疲劳等引起的裂纹，如图3-2磁粉探伤原理。

图3-2磁粉探伤原理

（a）工件通以电源；（b）工件处于磁场中

1-缺陷；2-工件；3-磁化电流；4-磁化磁场。

3.3.3、渗透探伤（PT，P5）

对于表面光滑而清洁的零部件，用一种带色（常为红色）或带有荧光的、渗透性很强的液体，涂覆于待探零部件的表面。

若表面有肉眼不能直接察知的微裂纹，由于该液体的渗透性很强，它将沿着裂纹渗透到其根部。

然后将表面的渗透液洗去，再涂上对比度较大的显示液（常为白色）。

放置片刻后，由于裂纹很窄，毛细现象作用显著，渗透到裂纹内的渗透液将上升到表面并扩散，在白色的衬底上显出较粗的红线，从而显示出裂纹露于表面的形状，因此，常称为着色探伤。

若渗透液采用的是带荧光的液体，由毛细现象上升到表面的液体，则会在紫外灯照射下发出荧光，从而更能显示出裂纹露于表面的形状，故常常又将此时的渗透探伤直接称为荧光探伤，如图3-3渗透探伤原理。

图3-3渗透探伤原理

1-油污；2-缺陷；3-预清洗；4-渗透剂；5-渗透；6-清洗剂；7-清洗；8-显像剂；9-显像；10-紫外线灯；11-检查。

3.3.4、涡流探伤（ET，P5）

当一个通有交流电的激励线圈靠近某一试件（导体）时，由于电磁感应作用，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈漩涡状流动的电流（涡流），此涡流会转而产生与激励磁场方向相反的磁场使原磁场有部分减少，从而引起线圈阻抗的变化。

在保持激励条件不变的情况下，通过对线圈阻抗变化的测量，或通过对另一附加的可感受磁场变化的专用探测线圈电参量变化的测量，就可得知试件中产生的涡流状况，从而获悉与试件有关的一些参量，如有无缺陷及形状和尺寸的变化等。

因此，从试件上取得的信息以表面上的为最多，而对内部检测来说，则缺陷越深，检测越难，如图3-4涡流探伤原理。

图3-4涡流探伤原理

1-线圈磁场；2-涡流

3.2超声波探伤的物理基础

3.2.1超声波的概念

可以认为物体是由以弹性力保持平衡的各个质点所构成的，这种弹性体的简化模型如图3-5弹性体的模型。

当某一质点受到外力的作用后，该质点就在其平衡位置附近振动。

由于一切质点都是彼此联系着的，振动质点的能量就能够传递给周围的质点而引起周围质点的振动。

机械振动在介质中的传播过程称为机械波；机械振动在上述弹性体中的传播称为弹性波（即声波）——它是一种重要的机械波。

图3-5弹性体的模型

a-质点；b-表示弹性的弹簧

由此可见，声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。

此外，当振动传播时振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波是完全不同的。

如果以频率

来表征声波，并以人的可感觉频率为分界线，则可把声波划分为次声波（

），可闻声波（

）及超声波（

）

连续波是指介质各质点振动持续时间为无穷时所形成的波动；其中最重要的特例是各质点都做同频率的谐振动，这种情况下的连续波称为简谐波。

振动持续时间有限（单个或间发）时所形成的波动，则称脉冲波。

3.2.2、超声波的基本参数

3.2.2.1振幅（Ａ）：

指振动质点偏离平衡位置的最大距离。

图3-7

图3-6

3.2.2.2频率（ƒ）

质点单位时间（通常指１秒，以下同）内围绕平衡位置完成全振动的次数称为振动频率。

其数值与波动频率相等。

所谓波动频率是指波动过程中任一给定质点在单位时间内通过完整波的个数。

单位为Hz。

超声波探伤中使用的频率有两种，即仪器重复频率和超声波频率。

图3-8

T为探伤仪发射超声波的周期，相对应的是仪器的重复频率F。

F=1/T

F是仪器性能指标，其高低由仪器电路决定。

t为仪器发射的超声波的振荡周期，相对应的是超声波的频率ff=1/t

f在通用探伤仪上是可选的，其高低由所选的换能器决定。

3.2.2.3周期（t）

指振动质点完成一次全振动所需要的时间。

单位为秒（S）。

由定义不难得知：

t＝1/f

3.2.2.4波长（λ）

同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，波源或介质中任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。

单位为毫米（mm），米（m）。

波长越短分辨力就越高。

3.2.2.5声速（C）

声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离。

也可称为波速。

单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。

由声速、波长和频率的定义可得：

C=λƒ或λ=c/f。

在材料选定后（超声波传播的介质），C为常数。

3.2.3超声波的特性

用于探伤的超声波频率范围为0.2～25MHZ，其中最常用的频段为0.5～10MHZ，钢轨探伤仪使用的频率为2MHZ。

为了充分认识超声测量作用，有必要了解其相关的特性。

1、声速特性

超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播，其速度受介质温度、压力等因素的影响，但在相同外部环境下，超声波在同一介质中的传播速度是一个常数。

这是所有超声波仪器进行测量的基础。

2、传播特性

超声波在同一介质中具有匀速直线传播的特性，运用该特性我们可以对缺陷进行精确定位。

3、反射特性

超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质密度不同，因而在两种介质的分界面上，其传播方向会发生改变：

其中一部分折射入另一种介质，另一部分被反射回来。

超声波在传播途中遇异质界面将发生声波的反射、折射和波形转换，利用反射特性我们可以实现对缺陷的检测（工件中的缺陷即为异质界面），利用折射和波形转换特性，我们可以选择进入探测对象内超声波的波形和角度，以适应对不同工件，不同缺陷的检测需要。

当超声波以气体传播到固体或液体时，由于两种介质密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。

4、衰减特性

超声波在传播过程中，由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。

不论是超声波流量计还是超声波物位计，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。

5、波束效应（指向性）

由于超声波具有很好的波束效应，声波能力集中，传播距离大，穿透能力强，同时探伤人员可以通过选择不同直径和频率的探头来选择探头扩散角，以适应不同的探伤需要。

3.2.4超声场的特征量

介质中有超声波存在的区域称为超声场，可用声压、声强、声特性阻抗来描述。

1声压

在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差称为声压，声压的单位是帕斯卡（Pa）。

声压是个交变量，可写成

在实用上，比较两个超声波并不需要对每个时间t进行比较，只需用其幅度做比较。

通常就把声压幅度简称声压，用符号

表示。

2声强

在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位时间内所通过的声能量称为声强度，简称声强（或声的能流密度）。

对于简谐波，常将一周期中能流密度的平均值作为声强，并用符号

表示。

（式中

为介质密度，

为介质中声速，

为声压）。

3声特性阻抗

由

可知，在同一声压

的情况下，

越大，质点振动速度

越小，反之，

越小，质点振动速度

越大，所以把

称为介质的声特性阻抗，以符

号表示。

声特性阻抗能直接表示介质的声学性质，在超声检测领域内所采用的许多方程式中经常出现介质密度与声速的相乘积而不是其中某个值，因此常将

作为一个独立的概念来理解。

4声压和声强的分贝表示

由于声压的变化范围非常大，数量级可以相差很多，用通常数字表示和运算很不方便，并且人耳对声音响度的感觉近似地与声强的对数成正比，于是采用对数来表示这一关系，即贝耳—二个声波声强之比的常用对数值

3.3超声波探伤方法及基本原理

超声波探伤方法可以从多个角度进行分类，按探伤原理不同，可分为共振法，穿透法，脉冲反射法。

以下简述这几种方法的原理及应用特点。

3.3.1共振法

根据超声波在工件中产生共振的状况进行检测的方法，如（P16）。

广泛用于对脉冲反射法不能探测的薄板厚度测定。

其原理是当试件的厚度为超声波的半波长度或半波长度的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同而引起共振，仪器可显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差计算出工件厚度，则

式中:

d为工件厚度，c为被检工件的声速，fn为第n点的共振频率。

图3-9共振法测厚示意图

3.3.2穿透法

它是最早采用的超声波探伤方法，也叫透射法。

其原理是一个探头发射的超声波透过整个工件被另一个探头接收，根据超声波在工件中的能量变化来判断缺陷或工件质量。

穿透法的工作原理及缺陷显示方法，如图3-10。

图3-10穿透法探伤原理

（a）无缺陷（b）有小缺陷（c）有大缺陷

穿透法的优点：

工作中不存在探测盲区，超声波传播中衰减小，判断缺陷方法简单，适用于连续的自动化探伤。

缺点是：

探伤灵敏度低，分辩率差，不能确定缺陷位置，一般需要专用的探头夹持装置。

3.3.3脉冲反射法

钢轨探伤检测系统主要由探头、超声收发装置、探头伺服控制系统、探伤数据采集系统、损伤分析系统、耦合液喷淋系统、主控计算机以及外设等组成。

如图3-11探伤系统原理图。

图3-11探伤系统原理图

探头里装有超声换能器，通过超声发射电路使换能器按一定频率发射超声波。

探伤时，耦合液喷淋装置在探头和钢轨之间喷洒耦合液，保证探头与钢轨耦合良好，使超声波束大部分能量能传入钢轨内。

如无损伤存在，波束到达钢轨底面后依原路返回探头，得到底波。

如有损伤，则在底波前出现一个损伤波，而底波峰值降低或消失。

超声回波信号经超声接受装置放大、滤波及电平转换后送入高速数据采集系统。

数据采集系统按规定格式记录下回波信号的波程、峰值及脉冲重复周期的序号，形成数据文件送入损伤分析系统。

损伤分析系统判断出有无损伤并描绘出钢轨伤损图，当探测出有损伤时会自动报警。

钢轨进行探伤主要采用的是超声波钢轨探伤仪。

探伤仪的脉冲发生器，发出高频电脉冲信号并激发探头晶片。

由于探头晶片具有压电效应，电脉冲信号被转换成机械弹性振动，产生超声波。

仪器发射持续时间极短的超声脉冲到被检工件内，当遇到缺陷和底面就会产生反射，探头接收到超声脉冲后转换为电信号被仪器接收放大后在荧光屏上显示，探伤人员根据仪器显示波形进行判伤，根据反射脉冲信号在荧光屏上显示的位置及其幅度来判断缺陷的位置及大小。

该检测原理称为脉冲反射法。

如果在工件中有一个小于探头面积的缺陷，在荧光屏上会出现始波T，缺陷波F，底波B，如图3-12。

它是目前应用最广泛的一种超声波探伤法。

除穿透法外，上述各种探伤方法均属脉冲反射式探伤，结合钢轨探伤实际，重点介绍纵波法（垂直探伤法）和横波法（斜角探伤法）。

图3-12脉冲反射法探伤基本原理示意图

T（Transmit）~始波F（Fault）~伤波B（Bottom）~底波

3.3.3.1纵波法（又称垂直探伤法）

多数以直探头发射纵波垂直入射工件进行探伤的方法，又称垂直法。

垂直探伤法又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。

一次脉冲反射法：

当被测件无缺陷时，示波屏上只有始波（T）和底波（B）；当被测件中有小缺陷时，示波屏上除始波和底波外，还有缺陷波（F）；当被测件中的缺陷大于声速直径时，示波屏上只有始波和缺陷波，底波消失。

图3-13

一次脉冲反射法

a）无缺陷

b）有小缺陷

c）有大缺陷

1-探头　2-缺陷　3-被测件　4-示波屏

多次脉冲反射法，如图3-14：

该法是以多次底面脉冲反射信号为依据进行探伤的方法。

探伤时，示波屏上出现波高逐次递减的多次底波。

这种探伤方法可用于检测吸收性缺陷（如疏松等）。

声波穿过这些缺陷不引起反射，但声波衰减很大，声波经几次底面反射并多次穿过缺陷，使声能逐渐耗尽，因而底波逐渐消失。

图3-14多次脉冲反射法

a-无缺陷；b-有吸收性缺陷；c-有严重吸收性缺陷

（2）横波法

以纵波入射经过楔块及耦合等介质在工件内转换成横波进行探伤。

透过工件的横波与探测面形成锐角，故又称斜角法。

在脉冲反射探伤中，用不同角度的斜探头在被测件中可产生横波、表面波和兰姆波进行探伤，该方法的突出优点是可对直探头探测不到的缺陷进行探伤，可用改变入射角的方法发现不同方位的缺陷，表面波可测得形状复杂的缺陷，兰姆波可对薄板进行探伤等。

在探伤仪上安装有不同角度的探头，分别检查不同部位的损伤。

如70度探头，用来发现轨头内的核伤或横向裂纹，30度探头可探轨腰及螺栓孔损伤，0度探头发射纵波，可探轨头轨腰轨底的水平裂纹、纵向裂纹。

单探头法：

利用一个探头兼作发射和接受的探伤方法。

主要适用于与声束垂直的片状或立体状缺陷的探测。

双探头法：

使用两个探头探伤的方法，能发现单探头法难以检测的缺陷。

多探头法：

由两个以上探头组合进行探伤的方法，如用多晶片组合的陈列室探头进行探伤。

3.3.3.2、B型扫查超声波探伤仪基本原理和工作过程

在钢轨探伤的过程中我们采用的是B型扫查超声波。

它的工作原理如同医用的B超，它需要使用线探头，线探头是由单探头组成的在一条直线上的探头阵列，声波发射出去后如同一个切面，不同深度下的回波以不同的颜色或灰度表示。

这样就如同在工件或人体组织中有一个切面图一样。

工业用B型扫查超声波探伤仪不能使用线探头，主要是工件的几何形状和耦合问题限制了线探头的使用，因此只能使用单探头模拟线探头工作。

下面以单通道仪器为例说明其工作过程：

一般B型仪器都保留A型仪器的功能。

B型仪器的发射接收过程和A型仪器完全相同，在这里只叙述经数据处理形成A扫数据后如何形成B扫数据和如何显示探伤结果。

B型扫查是把每一次发射的A扫的回波数据记忆起来，需要记忆的发射次数依据设计者的设计而定。

这样把多次发射接收的回波数据综合起来就好像是一个线探头在工作一样。

要求发射电路必须按照探头移动的定长距离

发射超声波，这样每次回波的间距才能保证定长等间距，进而形成的图形才能不失真。

在B型仪器中，图形区的横坐标表示探头在工件上移动的距离，纵坐标代表声波在工件中传播的深度。

每次接收到的回波，在其中有数据的位置找出每个波的最大点的位置，于显示器的相应纵坐标的位置横向画一个或几个点，下次回波的点紧接着前次回波的点画，当屏幕画满时，图形依据探头的移动方向前后