1、开放实验室实验讲义（设备表面及内部缺陷检测）实验一 内部缺陷检测-超声波检测(一)、超声波探伤1.超声波探伤原理超声波探伤是利用人耳无法感觉到的高频声波(20000Hz)射入被检物并用探头接收信号从而检测出材料内部或表面缺陷的方法。探伤用超声波频率一般在 0.5-25MHz之间。超声波波长与频率 f和传播速度 c的关系为：入c/f (1-1)在气体和液体中只有纵波，纵波声速 c：为： CL=(K/) 1/2 (1-2)式中 -密度(kgm 3);K-体积弹性模量(Nm 2)。声阻抗 Z为：ZC (1-3)当声波由介质 1垂直入射到介质 2时，声能反射率只为：Z=(Z2-Z1)2/(Z1+Z2)
2、2 (1-4)式中 Z1与 Z2-介质 1与介质 2的声阻抗。声能透射率 T为：式中 l-纵波入射角； l与 s队-纵波折射角与横波折射角； L与 S-纵波反射角与横波反射角； cl1与 cl2-两种介质户纵波声速；c s1与 cs2-两种介质中横波声速。若入射波为横波，有(1-7)s slls 2211 cinsicini式中 s-横波入射角。第一临界角为使纵波折射角等于 90。 时的纵波入射角( lI) 有(1-8)2l1lc/sini第二临界角为使横波折射角等于 90。 时的纵波入射角(o，n)，有 ；(1-9)2l1lI/si超声波近场区(Fresuel 区)长度 N为N=D2/4 (
3、1-10)式中 D-发射体(晶片)直径；-波长。远场区(Franhofer 区)声束发散，强度与距离平方成反比。发射体为圆形时，声束在远场区之半扩散角 60(指向角)由下式决定:sin0=1.22/D (1-11)超声波在介质中传播会发生声强的衰减， 、规律为： I=I0e-2 (1-12)式中 I。-超声波初始强度；I-超声波透过厚度为 6(cm)的介质时的强度；-线衰减系数(Np/cm，1Np/cm868.6dB/m)；用分贝值 Kp(KH)表示衰减变化或放大率，即：K p201gPP oKH201gHH。(dB) (1-13)式中 P o或 H。-声压或波高基准值；P 或 H-声压或波高
4、的测量值(或要求值)。材料厚度等于半波长或其整数倍时，将发生共振，有t=nc/2f (1-14)式中 t-共振厚度；c-声速；f-频率；n-整数。表 1-1为超声波探伤按不同方式分类简表。A 型脉冲反射法探伤是目前使用的主要方法。表 1-1超声波探伤分类简表按原理分类 连续探伤(共振式、调频式及穿透式)与脉冲探伤按显示方式分类 声响显示与光电显示(A 型、B 型、C 型与 3D型)按探头数分类单探头、双探头及多探头探伤按接触方式分类 直接接触法与水浸法探伤2.脉冲反射法探伤过程与探伤条件脉冲反射探伤法按超声波在介质中传播方式分类及用途列于表 1-2。表 1-2 脉冲反射法分类探伤方法 波 型
5、主 要 用 途垂直探伤法 纵 波 铸件、锻件及轧件等的内部缺陷检测，有时也用于焊缝及管件内部缺陷检测斜角探伤法 横 波 焊缝及管件等的内部缺陷检测表面波探伤法 表面波 表面缺陷检测 颁标准板波探伤法 板 波 薄板缺陷检测越低。(2).探头晶片尺寸的选用影响晶片尺寸选用的因素列于表 1-3(3).折射角的选用横波探伤用斜探头主要采用 35-70的折射角。管材探伤时，探头折射角 的选定应满足下式：表 1-3与晶片尺寸有关的因素名 称 状 况影响因素工件厚度可测距离探侧面状况探测面曲率近距离覆盖范围远距离覆盖范围缺陷反射波底面反射波小小不平整、不光洁大小大大大大平整、光洁小大小小选 用 晶 片 尺
6、寸 小 大arcsin(1- ) (1-15)t2式中 t-管材壁厚； -管材外径。(4).耦合剂的选用耦合剂的选择以保证良好的透声性为准则，应尽量选用其声阻抗与试件声阻抗相近的介、质为耦合剂。(5).灵敏度的选择与调节探伤灵敏度是指“在规定范围内对名 称 利用试决的方式 利用底面回波的方式确定步骤选择试块探头在试决上放置、藕合探伤仪灵敏度调节控制试块人收标准规定的 dB值或计算的 dB值(当量法)增益或衰减工缺陷回波达到规定高度优缺点可直观比较相互探伤的结果当采用材质、厚度或表面粗糙度与试件不同之试块时需进行灵敏度调节修正不用试块；厚度不足近场长度三倍、倾斜凹凸不平底面及截面小于波束截面的试
7、件均不宜采用此法应用范围用 于 难 以 找 到 底 面 回 波 的 探 伤 ， 斜 角 探伤用于银件等工件探伤，垂直探伤底面反射波与同深度平底孔反射波分贝差值为：(1-16)2slg0G式中 L-波长； s-声程；-要求发现的平底孔型缺陷的最小直径。若要求发现横通孔型缺陷，则。(1-17)2slg10式中 -要求发现的核通孔型缺陷的最小直径。3.缺陷定位缺陷在工件中 h-缺陷在试件中的位置。斜角探伤法缺陷定位基本公式如下：hscos (1-19)Pssin (1-20)式中 s-声程；-折射角；k-缺陷至探测面垂直距离；P-缺陷至入射点水平距离。斜角探伤，当缺陷位于半跨距以远，则按下述公式定位
8、：h12T 一 S1cos (1-21)h1,5S 1,5cos-2T (1-22)h24T-S 2cos (1-23)h2,5S 2,5cos-4T (1-24)式中 T-试件厚度；h 1、h 1，5 、h 2、h 2，5 -分别为 0.5跨距至 l跨距内、1 跨距外至 1.5跨距内、1.5跨距外至- 2跨距内及 2跨距外至 2.5跨距内缺陷至探测面垂直距离；s1、s 1,5、s 2、s 2,5-分别为与上述各跨距范围相应之声程；-折射角。式(1-28)式(1-33)适用于平板试件。4.缺陷方法列于表 1-5。表 1-5 超声波探伤缺陷定量方法分 类 方法名称 方 法 要 点 应 用 特 点
9、缺陷回波高度法以缺陷回波高度(绝对值法)或缺陷回波高度与屏高(饱台点高度值法)表示缺陷大小底波高度百分比法用缺陷回波与同时显示的试件底面回波高度之比(FB)或缺陷回波与无缺陷部位底面回波高度之比(FB。)表示缺陷大小波高定量法距离波幅曲线法用计算法或实测法绘 (dB)“曲线表达反射波高度随距离的变化(反射体一定时)，该曲线一般由定量线、测长钱和判废线组成不用试块、缺陷大小及探伤灵敏度均可在工件上确定，操作方便，FB 等比值不受探测面状态和但随灵敏度、探头尺寸与频率 h缺陷测距等的变化而变化；仪器垂直线性良好时，距离-波幅曲线可直接绘制在荧光屏上.可直接读出缺陷大小；仪当量试块比较法相同测试条件
10、下，缺陷回波与同声程的人工缺陷试该人工缺陷尺寸即为缺陷当量当量定量法 AVG曲线法预先利用计算法或实测法制作“标准化距离A、标准化回波高度 V及缺陷标准化尺寸 G关系曲线。(AVG).按测得的缺陷 zE离及回波高度即可由 AV0曲线确定缺陷当量位一般用于缺陷尺寸小于声束截面的场合：方法直观试块比较法需制作大量人工缺陷试块，目前已很少使用；AVG 法克服了需用大量试块的缺点，但限于测距大于三倍近场长度缺陷、且要求试件裁面尺寸大于声束相对灵敏度测长法使缺陷回波最大值为基准值，将其增益 6dB，使缺陷回波再恢复到基准值的探头移动距离即为“缺陷指示长度”-二 6dB测长法。若增益为10dBB法等。从缺
11、陷回波高度(最大值)开始到回波高度降低一半为止的探头移动距离作为。缺陷指示长度”-半波高度法适用于缺陷尺寸大于声束截面的场合，相对灵敏度法以缺陷波高为基准，在测量不同长度缺有所变化.增益 dB值愈大，愈能将短缺陷评价为长缺陷： 6dB法得到较普遍应用；半波高法与 6dB法实质相同，半波高法操作简便，但对于垂直线性误差较大仪器宜用 6dB法探头移动定量法绝对灵敏度测长法在仪器灵敏度一定的情况下，缺陷回波高度降到规定位置时探头移动距离作为“缺陷指示长度”绝对灵敏度测长法简单、直观，易用于自动探伤，但易产生缺陷定量过大或过小现象AVG曲线中标准化距离 A为：AX/N (1-25)式中 (1-26)式
12、中 d-平底孔当量直径；D-探头晶片直径。JBll52-81规定 A试块上实测数据绘制而成。探头移动法定量，平板试件中缺陷倾斜时，缺陷指示长度 l按下式修正：Ll/cos 下式修正：Ll(r 十 x)/r (1-29)式中 r-试件内孔半径。5.超声波探伤方法应用与比较超声波探伤可检测气孔、夹杂、裂纹、缩孔及未焊透等缺陷，用于锻件、轧制件、焊缝、材及铸件等的检验。最易于检出长度方向与超声波束方向垂直的缺陷。超声波探伤方法分类比较列于表 1-6。表 1-6超声波探伤方法比较探伤方法 显示缺陷的方式 优、缺 点脉冲反射法被检物中超声波脉冲在完整部位与缺陷的界面产生反射波用示波管显示仪器轻便，检验迅
13、速发现裂纹灵敏度高直观性差；要求工件有较技术要求高连续发射法(投影法)向被检物发射的超声波遇到缺陷后被界面反射，在缺陷背后形成声影可检测的金属厚度量要求稍差：采用双探头，操作较复杂；缺陷尺寸小于波长则无法检出超声波显象法(超声波显微镜)声影透过声透镜及图象变换器显示出内部缺陷图象直观性好；分辨力差；设备较复杂。操作不便三、实验设备及材料 1超声波探伤仪（1 台） 4试样： 2 块/组。 四、实验内容与步骤 1 2每组学生对试样进行缺陷检测（1）用超声波检，缺陷大小每个试样，应在不同方位测定。 4实验中应注意安全操作。六、实验报告内容1实验目的；2简述你了解的检测设备名称及用途；3讨论超声波检测
14、的实验方法；4画出缺陷组织示意图，指出其大用范围？（2）钢中内部缺陷类别不同时对缺陷图象及检测灵敏度有何影响？实验二 表层缺陷检测实验一、实验目的 1学习和认识材料的表层缺陷检测方法；2了解和认识磁粉探伤、涡流探伤的原理与过程。二、实验概述适合于表层缺陷检测的主要方法为磁力探伤、及涡流探伤。（一） 、磁粉探伤1 磁粉探伤原理与过程磁目前应用最广泛的是磁粉法。被检物在磁场中磁化后，缺陷部位产生漏磁磁场；在被检物表面撒上磁粉，缺陷处有磁粉附着从而显示出缺陷。缺陷长度方向与磁场方向相垂直是磁粉探伤的最重要条件。磁场强度 H(Am)与在材料中产生的磁通密度 B的关系为；B= H(T) (2-1)式中
15、-磁导率(Hm)。在导体周围的磁场强度为：H0.16Ar(Am) (2-2)式中 A-导体中电流(A)； 料及铁锈等去掉，以免影响探伤效果。用干磁粉时要求试件表面干燥。探伤过程中，如果前次磁化的残留剩磁可能影响磁痕解释，则在图中磁粉探伤不允许有剩磁的零件也必须退磁。探伤后尚须经奥氏 体化热处理的零件可不退滋。退磁方法与电流种类有关。 直流电：反复换向并逐渐减小磁化电流至交流电：以较小的分挡或连续减少磁化电流至很低的值。2 磁化方法基本磁化方法列于表 2-1。按照被检工件形状和预计的缺陷选择磁化方对工件分别进行周向磁化和纵向磁化，以免漏检。可以采用能取得互相垂直磁场的复合磁化方法。复合磁化只适用
16、于连续法。采用旋转磁场探伤仪时，工件被旋转磁场磁化，磁化方向随时间变化而旋转，可检测工件各个方向的缺陷。旋转磁场磁为剩磁法。表 2-1 磁化方法采用交流磁化，则检出近表面缺陷能力差，而检出表面缺陷能力强。采用直流(或半波整流)可检出近表面缺陷。3 磁化规范可用灵敏度试片法确定磁化规范(ASTM A275-82)。A型标准试片使用时，用连续法敷粉，根据显示在选用不同检验方法和磁化方法时，零件被磁化后最终状态的磁性都应保持以下的磁感应强度：连续法为 600800mT(601000ghT(800010000 高斯)。4 探伤灵敏度磁粉探伤灵敏度是指可发现表面或近表面缺陷的最小尺寸，即绝对灵敏度。某些
17、磁化方法可达到的灵敏度见表 2-2。表 2-2探伤灵敏度裂纹与未焊透等 发 纹磁化方法埋藏深度(mm) 宽度(mm) 埋藏深度(mm) 尺寸(mm)直流电磁铁 2.5 0.010.2 1 宽 0.040. ;深 0.050.7交流电磁铁 1.5 0.5 宽 0.040.03 ;深 0.050.7交 流 电 磁 铁 (剩 磁 法 ) 3 0.3 宽 0.40.3 ;深 0.050.7磁粉探伤灵敏度取决于磁粉或磁悬液的性质、磁化方法与规范、金属磁特性及缺陷的位置分 类 名称 要 点 应 用 特 点轴向通电法 电流直接通过工件 主要用于轴、杆类工件探伤中心导体法 电流通过插入工件孔内的导体或电缆 主
18、要用于管件及有孔形工件探伤周向磁化沿工件周间建立磁场的方法 电极触点法(支秆法)利用接触电极使电流通过工件被检部位主要用于大型工件、焊缝等的局部表面探伤，通过触点位置移动可达到对整个工件探伤的目的可以发现轴向(电流方向)或与轴向夹角小于45的缺陷线圈法 用螺管线圈或绕在工件上的电缆通电磁化 主要用于轴电磁铁法(极间法)零件置于电磁铁两极间，局部闭路磁化 主要用于大型工件、焊缝等的探伤纵向磁比使磁力线平行于工件轴向的磁化方法 磁轭法 磁轭夹住工件，形成闭路磁化主要用于中、小工件或较短轴、杆类工件探伤可以发现与磁力线垂直或与蹈力线夹角大于45。的缺陷等。对于际探伤中，可采用示灵敏度试片验证被测工件
19、是否达到要求的探伤灵敏度。5. 磁粉与磁悬液磁粉粒度应均匀，平均粒度为 5-10，最大粒度小于 5m，荧光磁粉粒度为 25。表 2-3所列为几种磁悬液的的成份和配制方法。表 2-4所列为 JB741-80钢制焊接压力容器技术条件中规定的萤光磁悬液配方。表 2-3磁悬液配置法类 别 成 分 配制方法 应用范围水悬浮液甘油三油脂酸肥皂1520g磁粉 5060g； 水 1000mL先将甘油三油脂酸肥皂放在少量温水中稀释，然后加入磁粉，在研钵中研细。最后加水到1000mL检验效果较油悬浮液好，但零件表面要预先清理除油油悬浮液1.60变压器油十 40煤油，在1000mL悬浮液中含 1008磁粉 x.10
20、00mL变压器油中含 50g磁粉在油中淬火的零件，如表面无严重氧化，可直接用此液检验荧光磁悬浮液荧光磁粉： 磁粉 56；铁粉40；荧光剂(蒽)4；胶性漆每 lOO克 9昆合物中为 40克。水悬浮液：乳化剂 45(重量)； 亚硝酸钠34(重量)；荧光磁粉在每 100mL液体中为 1520g各种粉粒的粒度为 3、5lAm， ，加入 3L化剂和亚硝酸钠综合了荧光和磁粉探伤的优灵敏度比单纯荧光法高只能用于铁磁金属也可用普通肥皂代替，但均匀与稳定性差表 2-4 JB741-80 规定的成 分水乳化剂二乙醇胺亚硝酸钠荧光磁粉消 泡 剂成分1000Cm310g5g5g12g1g6 磁痕分析表 2-5所列为各种缺陷磁痕磁力探伤适用于铁磁性材料表面或近表面缺陷检测。可检测裂纹、气孔、夹杂等缺陷。磁力探伤方法分类比较列于表 2-7。表 2-5缺陷磁痕一般特征缺陷名称 磁 痕 一 般 特 征裂 纹 清晰而浓密的曲折线状锻造裂纹 磁痕聚集较浓，呈方向不定的曲线状或锯齿状；近表面锻裂产生不规则弥漫状磁痕.出现部位与工艺有关热处理裂纹 磁痕明显、浓度较高、呈线状、棱角较多且尾部尖细.多出现在棱角、凹槽、变截面等应力集中部位
