《无损检测复习》PPT课件.ppt

1,三.无损检测技术概述,无损检测的定义：无损检测技术是一门新兴的综合性应用学科。它是以不损害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件等进行有效地检验和测试，借以评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。主要内容有两点：1.是否有缺陷 2.提供组织分布、应力状态,2,无损检测的目的：定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许载荷、寿命或剩余寿命。检测结构在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况，以便改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全、高效、可靠地运行。,3,质量管理：对非连续或连续加工的原材料、零部件提供实时质量控制，如控制材料的冶金质量、加工工艺质量、组织状态、涂镀层的厚度以及缺陷的大小、方位与分布等等。在役检测：对装置或构件在运行过程中进行监测，或者在检修期间进行定期检测。质量鉴定：对制成品（材料或零部件）在进行组装或投入使用前，进行最终检验。,4,无损检测一般有三种含义：无损探伤NDI(Nondestructive Inspection)无损检测NDT(Nondestructive Testing)无损评价NDE(Nondestructive Evaluation)NDI仅检测出缺陷（探伤）；NDT以NDI检测结果为判定基础，对检测对象的使用可能性进行判定；此外还含有参数测试的意思；NDE掌握对象的载荷、环境条件，对构件的完整性、可靠性及使用性能进行综合评价。目前国内一般统称为NDT，国外NDE逐渐代替NDT。,第一章 超声波检测,1.1超声检测的基础知识 超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率高于20kHz。工业超声波检测常用的工作频率为：0.510MHz。,一、超声波的特点,超声波的方向性好：超声波具有像光波一样定向束射的特性。超声波的穿透能力强：对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。超声波的能力高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。对人体无害。,二、超声波的分类,（一）描述超声波的基本物理量声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号“c”表示。频率：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数称为频率，用符号“f”表示。波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离称为波长，用符号“”表示。周期：声波向前传播一个波长距离时所需要的时间称为周期，用符号“T”表示。角频率：角频率用符号“”表示。定义为=2f。上述各量之间的关系为：T=1/f=2/=/c,图 1-1 超声波的分类,二、超声波的分类,1）超声波的波型超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。（1）纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用L表示(见图1-2)。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。能在任何介质中传播，气体、液体、固体。,（2）横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用S或T表示(见图1-3)。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时，产生了切变形变，所以横波又叫做切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能够承受切应力，因而横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。（3）表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时，对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波(见图1-4)，受表面张力的作用。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波，常用R表示。,（4）板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波(或兰姆波)。板波传播时声场遍及整个板的厚度。薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播(见图1-5)。板波按其传播方式又可分为对称型（S型）和非对称型（A型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的。,2)超声波的波形超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。如图1-6所示，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，用波线表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。,1.2 超声场及介质的声参量简介充满超声波的空间或介质中超声振动所波及的质点占据的范围叫超生场。一、描述超声场的物理量1.声压 p当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用P表示,即,（1-2）,对于平面余弦波，有：,（1-3）,式中：为介质的密度;c为介质中的声速；为介质质点的振幅；为介质质点振动的角频率；为质点振动速度的幅值；t为时间；x为质点距声源的距离；为声压幅值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。,2.声阻抗 介质中某一点的声压幅值Pm与该处质点振动速度幅值Vm之比，称为声阻抗，常用Z表示,单位为g/(cm2s)；kg/(cm2s)。在同一声压下，声阻抗Z愈大，质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由式(1-3)得,（1-4）,气体、液体和固体的声阻抗相差较大：Z气：Z液：Z金属=1：3000：8000,3.声强单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示，单位为W/cm2。对于平面纵波，其声强I为,（1-5）,由式(1-5)可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。,4.分贝的概念实际探伤中，将声强I1与I2之比取对数的10倍得到二者相差的数量级，这时单位为分贝，用dB表示，即,（1-6）,根据式（1-5），有,（1-7）,式中：Pm1、Pm2分别为声强I1、I2对应的声压幅值。,对于线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高H1、H2之比等于相应的声压Pm1、Pm2之比，即,（1-8）,取自然对数ln，单位则为奈培。有：,二、介质的声参量1.声速声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定位和定量分析都有重要的意义。声速又可分为相速度和群速度。相速度是指声波传播到介质的某一选定相位点时在传播方向上的声速。群速度是指传播声波的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播方向上的声速。群速度是波群的能量传播速度。,（1）纵波、横波和表面波的声速。纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般说到它们的声速都是指相速度。不同材料声速值有较大的差异。在给定的材料中，频率越高，波长越短。见p16 同一固体介质中，纵波声速c1大于横波声速cs，横波声速cs又大于瑞利波声速cr。对于钢材，c1 1.8cs，cs1.1cr。（2）板波的声速。板波的声速与其他波型不同，其相速度随频率变化而变化。相速度随频率变化而变化的现象被称为频散。,2.声衰减系数超声波的衰减指的是超声波在材料中传播时，声压或声能随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三个方面：一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起声波的散射；三是介质的吸收。在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关心的是散射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。对于平面波来说，声压幅值衰减规律可用下式表示：,（1-9）,图1-7 超声波垂直入射于平界面的反射与透射,通常将反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r，将透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。可以证明，r和t的数学表达式为：,（1-11）,（1-12）,式中：Z1为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗。,为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率R和声强透射率T两个量。R为反射波声强(Ir)和入射波声强(I0)之比；T为透射波声强(It)和入射波声强(I0)之比。,（1-13）,（1-14）,声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。在垂直入射时，界面两侧的声波必须满足两个边界条件：1、一侧声压等于另一侧声压；2、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。,对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压往返透过率，如图1-8所示。通常入射声压经过两种介质的界面透射到试件中后，均需经过相反的路径（假设在工件底面的反射为全反射）再次穿过界面到第一介质中才被探头所接收。两次穿透界面时透射率的大小，决定着接收信号的强弱。因此，将声压沿相反方向两次穿过界面时总的透射率称为声压往返透过率(tp)，其数值等于两次穿透界面的透射率的乘积，由式（1-12）可得,（1-15）,图1-8 声压往返透过率,图1-10 超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换(a)纵波入射；(b)横波入射,1)反射 如图1-10（a）所示，当纵波以入射角L倾斜入射到异质界面上时，将会在介质1中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角rL的反射纵波。反射波与入射点法线之间的夹角称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即L=rL。与光的反射不同的是，当介质1为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角rS与纵波入射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为,（1-16）,若入射声波为横波，也会产生同样的现象，见图1-10（b)，这时横波入射角S与横波反射角rS相等。介质1为固体时纵波反射角与横波入射角之间的关系为,（1-17）,由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质1为液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。,2）折射当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质2为固体，则介质2中除有与入射波相同波型的折射波外，均可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。这时，介质2中可能同时存在纵波与横波(见图1-10)。折射角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角L要大于横波折射角S。,3）临界角当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。此时，存在一个临界入射角，在这个角度下，折射角等于90。大于这一角度时，第二种介质中不再有相应波型的折射波。(1)第一临界角。当入射波为纵波，且cL2cL1时，使纵波折射角达到90的纵波入射角称为第一临界角，用符号表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波。,(2)第二临界角。当入射波为纵波，第二介质为固体，且cS2cL1时，使横波折射角达到90的纵波入射角为第二临界角，用符号表示。通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的纯横波，对试件进行检测。,(3)第三临界角。第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。使纵波反射角达到90时的横波入射角称为第三临界角，用表示。4）斜入射时的声压反射率和透射率斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角度的变化。见P22,三、超声波入射到曲界面上的反射和透射1）平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上时的情况如图1-11所示。平面波束与曲面上各入射点的法线成不同的夹角：入射角为0的声线沿原方向返回，称为声轴；其余声线的反射角则随着距声轴距离的增大而增大。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上。此时，焦距F与曲面曲率半径r的关系为,（1-18）,图1-11 平面波入射至曲面时的反射,三、超声波入射到曲界面上的反射和透射1）平面波入射到曲界面上的反射反射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。（1）界面为球面时，具有焦点。反射波波阵面为球面，凹球面上的反射波好像从实焦点发出的球面波，凸球面上的反射波好像从虚焦点发出的球面波。（2）界面为柱面时，具有焦轴。反射波波阵面为柱面，凹柱面上的反射波好像从实焦轴发出的柱面波，凸柱面上的反射波好像从虚焦轴发出的柱面波。声速中心轴线上，反射波的声压分别为：球曲面：柱曲面：,2）平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲面上时，其透射波也将发生聚焦或发散，如图1-12所示。这时透射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的声速有关。对于凹面，c1c2时发散；对于凸面，c1c2时聚焦，c1c2时发散。透射后的焦距F为,（1-19）,图1-12 平面波在曲面上的透射,2）平面波在曲面上的透射 透射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。如果曲面为球面时，则其波阵面为球面，透射波好像从焦点发出的球面波，同理，曲面为柱面时，透射波波阵面为柱面，透射波好像从焦轴发出的柱面波。声速中心轴线上，透射波的声压分别为：球曲面：柱曲面：t为声压透射率,2)超声波探头（1）超声波探头的作用。超声波探头用于实现声能和电能的互相转换。它是利用压电晶体的正、逆压电效应进行换能的。探头是组成检测系统的最重要的组件，其性能的好坏直接影响超声检测的效果。（2）常用超声波探头的类型。超声波检测中由于被探测工件的形状和材质、探测的目的、探测的条件不同，因而要使用各种不同形式的探头。其中最常用的是接触式纵波直探头、接触式横波斜探头、双晶探头、水浸探头与聚焦探头等。一般横波斜探头的晶片为方形，纵波直探头的晶片为圆形，而聚焦声源的圆形晶片为声透镜。所以声场就有圆盘源声场、聚焦声源声场和斜探头发射的横波声场。图1-21为一组探头的图片。,1）穿透法穿透法通常采用两个探头，分别放置在试件两侧，一个将脉冲波发射到试件中，另一个接收穿透试件后的脉冲信号，依据脉冲波穿透试件后幅值的变化来判断内部缺陷的情况(见图1-22)。,2）脉冲反射法脉冲反射法是由超声波探头发射脉冲波到试件内部，通过观察来自内部缺陷或试件底面的反射波的情况来对试件进行检测的方法。图1-23 显示了接触法单探头直射声束脉冲反射法的基本原理。,第二章 射线检测,2.1 射线检测的物理基础一、射线的种类和频谱在射线检测中应用的射线主要是X射线、射线和中子射线。X射线和射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。1)X射线X射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一种射线，波长范围约为0.0006100 nm(见图2-1)。在X射线检测中常用的波长范围为0.0010.1 nm。X射线的频率范围约为310951014 MHz。,图2-1 射线的波长分布,二、X射线的产生X射线是一种波长比紫外线还短的电磁波，它具有光的特性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等现象。它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。X射线通常是将高速运动的电子作用到金属靶(一般是重金属)上而产生的,见教材p47。图2-2是在35 kV的电压下操作时，钨靶与钼靶产生的典型的X射线谱。钨靶发射的是连续光谱，而钼靶除发射连续光谱之外还叠加了两条特征光谱，称为标识X射线，即K线和K线。若要得到钨的K线和K线，则电压必须加到70 kV以上。,(2)连续X射线的波长在长波方向，理论上可以扩展到=；而在短波方向，实验证明具有最短波长min(见图2-2)，且有,（2-1）,式中：U为X射线管的管电压，单位为kV。,四、射线通过物质的衰减定律1）射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用主要有三种过程：光电效应、康普顿效应和电子对的产生。这三种过程的共同点是都产生电子，然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的汤姆森效应。光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少，电子对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共同结果是使射线在透过物质时能量产生衰减。,（1）光电效应。在普朗克概念中每束射线都具有能量为E=hv的光子。光子运动时保持着它的全部动能。光子能够撞击物质中原子轨道上的电子，若撞击时光子释放出全部能量，并将原子电离，则称为光电效应(见图2-4)。光子的一部分能量把电子从原子中逐出去，剩余的能量则作为电子的动能被带走，于是该电子可能又在物质中引起新的电离。当光子的能量低于1 MeV时，光电效应是极为重要的过程。另外，光电效应更容易在原子序数高的物质中产生，如在铅(Z82)中产生光电效应的程度比在铜(Z=29)中大得多。,图2-4 光电效应,（2）康普顿效应。在康普顿效应(见图2-5)中，一个光子撞击一个电子时只释放出它的一部分能量，结果光子的能量减弱并在和射线初始方向成角的方向上散射，而电子则在和初始方向成角的方向上散射。这一过程同样服从能量守恒定律，即电子所具有的动能为入射光子和散射光子的能量之差，最后电子在物质中因电离原子而损失其能量。在绝大多数的轻金属中，射线的能量大约在0.23 MeV范围时，康普顿效应是极为重要的效应。康普顿效应随着射线能量的增加而减小，其大小也取决于物质中原子的电子数。在中等原子序数的物质中，射线的衰减主要是由康普顿效应引起，在射线防护时主要侧重于康普顿效应。,图2-5 康普顿效应,（3）电子对的产生。一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而形成具有同样能量的一个负电子和一个正电子，这样的过程称为电子对的产生。产生电子对所需的最小能量为0.51 MeV，所以光子能量hv必须大于等于1.02 MeV，如图2-6所示。,图2-6 电子对的产生和消失,光子的能量一部分用于产生电子对，一部分传递给电子和正电子作为动能，另一部分能量传给原子核。在物质中负电子和正电子都是通过原子的电离而损失动能，在消失过程中正电子和物质中的负电子相作用成为能量各为0.51 MeV的两个光子，它们在物质中又可以通过光电效应和康普顿效应进一步相互作用。由于产生电子对的能量条件要求不小于1.02 MeV，所以电子对的产生只有在高能射线中才是重要的过程。该过程正比于吸收体的原子序数的平方，所以高原子序数的物质电子对的产生也是重要的过程。,（4）汤姆森效应。射线与物质中带电粒子相互作用，产生与入射波长相同的散射线的现象叫做汤姆森效应。这种散射线可以产生干涉，能量衰减十分微小，如图2-7所示。,图2-7 汤姆森效应,2）射线的衰减定律和衰减曲线射线的衰减是由于射线光子与物体相互作用产生光电效应、康普顿效应、汤姆森效应或电子对的产生，使射线被吸收和散射而引起的。由此可知，物质愈厚，则射线穿透时的衰减程度也愈大。射线衰减的程度不仅与透过物质的厚度有关，而且还与射线的性质(波长)、物体的性质(密度和原子序数)有关。一般来讲，射线的波长愈小，衰减愈小；物质的密度及原子序数愈大，衰减也愈大。但它们之间的关系并不是简单的直线关系，而是成指数关系的衰减，如图2-8所示。,图2-8 宽束射线的衰减曲线,设入射线的初始强度为I0，通过物质的厚度为d，射线能量的线衰减系数为，那么射线在透过物质以后的强度Id为,（2-3）,因为射线的衰减包括吸收和散射，所以射线的衰减系数是吸收系数和散射系数之和，即=+。由于物质密度愈大，射线在物质中传播时碰到的原子也愈多，因而射线衰减也愈大。为便于比较起见，通常采用质量衰减系数，即,（2-4）,式中：为物质的密度；为质量吸收系数；/为质量散射系数。,2.2 射线检测的基本原理和方法一、射线检测的基本原理射线检测是利用射线通过物质衰减程度与被通过部位的材质、厚度和缺陷的性质有关的特性，使胶片感光成黑度不同的图像来实现的，如图2-9所示。当一束强度为I0的射线平行通过被检测试件(厚度为d)后，其强度Id由式（2-3）表示。若被测试件表面有高度为h的凸起时，则射线强度将衰减为,(2-8),2.3 射线照相检测技术一、照相法的灵敏度和透度计1）灵敏度 灵敏度是指发现缺陷的能力，也是检测质量的标志。通常用两种方式表示：一是绝对灵敏度，是指在射线胶片上能发现被检测试件中与射线平行方向的最小缺陷尺寸；二是相对灵敏度，是指在射线胶片上能发现被检测试件中与射线平行方向的最小缺陷尺寸占试件厚度的百分数。若以d表示为被检测试件的材料厚度，x为缺陷尺寸，则其相对灵敏度为,（2-10）,2）透度计 透度计又称像质指示器。在透视照相中，要评定缺陷的实际尺寸是困难的，因此，要用透度计来做参考比较。同时，还可以用透度计来鉴定照片的质量和作为改进透照工艺的依据。透度计要用与被透照工件材质吸收系数相同或相近的材料制成。常用的透度计主要有两种。（1）槽式透度计。槽式透度计的基本设计是在平板上加工出一系列的矩形槽，其规格尺寸如图2-11所示。对不同厚度的工件照相，可分别采用不同型号的透度计。,图2-11 槽式透度计示意图,(2)金属丝透度计。金属丝透度计是以一套（711根）不同直径（0.14.0 mm）的金属丝均匀排列，粘合于两层塑料或薄橡皮中间而构成的。为区别透度计型号，在金属丝两端摆上与号数对应的铅字或铅点。金属丝一般分为两类，透照钢材时用钢丝透度计，透照铝合金或镁合金时用铝丝透度计。图2-12为金属丝透度计的结构示意图(图中JB表示“机械工业部标准”)。,图2-12 金属丝透度计示意图,使用金属丝透度计时，应将其置于被透照工件的表面，并应使金属丝直径小的一侧远离射线束中心。这样可保证整个被透照区的灵敏度达到如下计算数值：,（2-11）,式中：为观察到的最小金属丝直径；d为被透照工件部位的总厚度。,2.增感屏及增感方式的选择由于X射线和射线波长短、硬度大，对胶片的感光效应差，一般透过胶片的射线，大约只有1左右能激发胶片中的银盐微粒感光。为了增加胶片的感光速度，利用某些增感物质在射线作用下能激发出荧光或产生次级射线，从而加强对胶片的感光作用。在射线透视照相中，所用的增感物质称为增感屏，其增感系数为,（2-12）,1）荧光增感屏荧光增感屏是利用荧光物质被射线激发产生荧光实现增感作用的，其结构如图2-13所示。它是将荧光物质均匀地涂布在质地均匀而光滑的支撑物(硬纸或塑料薄板等)上，再覆盖一层薄薄的透明保护层组合而成的。,图2-13 荧光增感屏构造示意图,2）金属增感屏金属增感屏在受射线照射时产生射线和二次标识X射线对胶片起感光作用。其增感较小，一般只有27倍。金属屏的增感特性通常是，原子序数增加，增感系数上升，辐射波长愈短，增感作用越显著。但是原子序数越大，激发能量也要相应提高，如果射线能量不能使金属屏的原子电离或激发，则不起增感作用，相反还会吸收一部分软射线。如铅增感屏，当管电压低于80 kV时，则基本上无增感作用。在生产实践中，多采用铅、锡等原子序数较高的材料作金属增感屏，因为铅的压延性好，吸收散射线的能力强。,3）金属荧光增感屏金属荧光增感屏是在铅箔上涂一层荧光物质组合而成的，其结构如图2-14所示。它具有荧光增感的高增感系数，又有吸收散射线的作用。,图2-14 金属荧光增感屏结构示意图,4）增感方式的选择 增感方式的选择通常考虑三方面的因素：产品设计对检测的要求、射线能量和胶片类型。,三、曝光参数的选择 1）射线的硬度射线硬度是指射线的穿透力，由射线的波长决定。波长越短硬度越大，则穿透力就越强，对某一物质即具有较小的吸收系数。X射线波长的长短由管电压所决定，管电压愈高，波长愈短。射线硬度对透照胶片影像的质量有很大关系。因此，选择射线的硬度尤为重要。例如：当一束强度为I0的射线，通过被透照厚度为d的物体后，其强度将衰减为Id(由公式（2-3）描述)；通过一厚度为x的缺陷后，其强度为Ix(由公式（2-9）描述)。IxId称为对比度或主因衬度，即,（2-13）,假设缺陷内为空气，则可忽略不计。因而,（2-14）,在工业射线透照中，总是希望胶片上的影像衬度尽可能高，以保证检测质量。因此，射线硬度尽可能选软些。但是，如果希望在材料的厚薄相邻部分一次曝光，则要选用较硬的射线。为了提高某些低原子序数、低密度和薄壁材料的检测灵敏度，应采用软射线，即低能X射线照相法。通常将60150 kV定为中等硬度X射线，60 kV以下定为软X射线。,2）射线的曝光量 射线的曝光量通常以射线强度I和时间t的乘积表示，即 E=It，E的单位为mCih(毫居里小时)。对X射线来说，当管压一定时，其强度与管电流成正比。因此X射线的曝光量通常用管电流i和时间t的乘积来表示，即,E=it,(2-15),其单位为mAmin(毫安分)或mAs(毫安秒)。,在一定范围内，如果E为常数，则i与t存在反比关系：,E=i1t1=i2t2,(2-16),一般在选用管电流和曝光时间时，在射线设备允许范围内，管电流总是取得大些，以缩短曝光时间并减少散射线的影响。此外，X射线从窗口呈直线锥体辐射，在空间各点的分布强度与该点到焦点的距离平方成反比(见图2-15)。即,（2-17）,4)焦距的选择焦距是指从放射源(焦点)至胶片的距离。焦距选择与射线源的几何尺寸和试件厚度有关。由于射线源有一定的几何尺寸，从而产生几何不清晰度Ug，如图2-16所示。由相似三角形关系，可以求出：,（2-18）,式中：为射线源的几何尺寸；F为焦点至胶片的距离；a为焦点至缺陷的距离；b为缺陷至胶片的距离。,为了减小几何不清晰度，胶片都应尽可能紧靠试件，焦距越大越好。但焦距增大，使曝光时间急剧增加或者提高X射线管电压。为了保证底片的影像质量和缩短曝光时间，在满足几何不清晰度要求下，焦距应尽可能减小。,图2-16 透照影像几何不清晰度,5)曝光曲线 1.不同管电压下，材料厚度与曝光量的关系曲线，材料厚度d与曝光量x的关系为：,（2-19）,式中：为吸收系数；为常数。x与d呈线性关系。若以x为纵轴，d为横轴，当焦距一定时，则给定一个厚度d，对应于某一管电压可以求得一个x值。用各种不同的电压试验时，就可以得出一组斜率逐渐变化的曲线，如图2-17所示。,2.6 射线的防护一、屏蔽防护法 屏蔽防护法是利用各种屏蔽物体吸收射线，以减少射线对人体的伤害，这是射线防护的主要方法。一般根据X射线、射线与屏蔽物的相互作用来选择防护材料，屏蔽X射线和射线以密度大的物质为好，如贫化铀、铅、铁、重混凝土、铅玻璃等都可以用作防护材料。但从经济、方便出发，也可采用普通材料，如混凝土、岩石、砖、土、水等。对于中子的屏蔽除能防护射线之外，还以特别选取含氢元素多的物质为宜。,二、距离防护法距离防护在进行野外或流动性射线检测时是非常经济有效的方法。这是因为射线的剂量率与距离的平方成反比，增加距离可显著地降低射线的剂量率。若离放射源的距离为R1处的剂量率为P1，在另一径向距离为R2处的剂量率为P2，则它们的关系为：,（6-49）,显然，增大R2可有效地降低剂量率P2，在无防护或护防层不够时，这是一种特别有用的防护方法。,三、时间防护法 时间防护是指让工作人员尽可能的减少接触射线的时间，以保证检测人员在任一天都不超过国家规定的最大允许剂量当量(17mrem)。人体接受的总剂量：D=Pt，其中，P为在人体上接受到的射线剂量率，t为接触射线的时间。由此可见，缩短与射线接触时间t亦可达到防护目的。如每周每人控制在最大容许剂量0.1rem以内时，则应有D0.1rem；如果人体在每透照一次时所接受到的射线剂量为P时，则控制每周内的透照次数N0.1 P，亦可以达到防护的目的。,射线照相胶片,1、射线胶片的结构 由保护层、感光乳剂层、结合层及片基组成。感光乳剂层是胶片最重要的部分，其主要成分是极细的AgBr颗粒和明胶。其作用是受射线照射时发生光化学作用，产生潜相。当胶片经过显影、定影等暗室处理后，才能成为可见的黑度不同的影像,片基：透明塑料或涤纶等材料，是感光乳剂的支撑体，厚度175300um.感光乳剂：能在光量子作用下电离形成潜像，经显影后形成可见影像的物质。成分为卤化银（主要是AgBr）微粒在明胶中的混悬体。明胶中含有微量的硫化,物，硫化物对射线作用有荧光产生，所以有增感作用，它还能使卤化银微粒均匀分布在乳剂中。它具有多孔性，对水有极大的亲和力，使暗室处理时药液能均匀渗透到感光乳剂层中，完成处理。该层厚度1015um,是胶片核心，决定胶片的感光性能。结合层：是一层胶质膜，它将感光乳剂牢固的粘接在片基上，防止在冲洗中乳剂脱落，厚度12um保护层：是一层较硬的胶质，均匀的涂在感光乳剂上，避免乳剂与外界直接接触而被损坏。厚度12um与普通胶片的不同：双面涂感光乳剂，普通的是单面，为更多的吸收射线能量，乳剂层厚度远大于普通型。,3、底片的黑度,底片的黑度是指垂直入射到底片前的可见光强度L0与透过底片的可见光的强度L之比的常用对数值，用D表示，即 Dlg(L0/L)金属银使底片变黑的程度，表示底片的光线透过率大小，D越大，透过的光线越少，黑度越大。D1，L0/L=10，表示只有1/10的光线透过底片。D2，L0/L=100，表示只有1/100的光线透过底片。,4、胶片的特性曲线和感光特性,（1）胶片的特性曲线：是描述底片黑度和胶片曝光量之间的关系曲线。增感型胶片特性曲线 AB-灰雾区：不曝光区，灰雾度D0 BC-曝光不足区：曝光阈值 CD-正常曝光区：D与lgE成正比 DE-曝光过渡区 EF-负感区,应尽可能使底片黑度处于正常曝光区内,正常曝光区满足 D=GlgE+k,四、影像质量,影响影像质量的基本因素有3个：对比度、不清晰度、颗粒度1、底片对比度 底片对比度是指底片上一个区域与相邻区域的黑度差D(D=D1-D2)，又称为反差或衬度。显然D越大，底片上各种细节就越容易发现，即灵敏度越高。(1)窄束射线的对比度 有厚度增量时，D=-0.434Gx 有缺陷时，D=0.434(-)Gx,(2)宽束射线的对比度 宽束射线穿透工件时，其对比度D为：D-0.434Gx/(1+n)n为散射比，nIs/I；x可视为工件厚度差。当n增加时，D 降低。散射线对射线照相灵敏度的危害不仅使底片清晰度下降，也使底片对比度降低。若工件厚度差大，黑度差也大，则符合黑度要求的可评区范围减少。应适当提高管电压，降低值。,2、底片不清晰度,底片清晰度是指底片上影像轮廓的清晰程度，一般用底片上相邻两黑度区域分界线的宽度来衡量，但定量描述清晰度比较困难，所以实际探伤中，常用术语“不清晰度”来表示底片的清晰程度。底片不清晰度和对比度一样，是衡量底片灵敏度的重要因素。底片不清晰度一般分为几何不清晰度、固有不清晰度、散射不清晰度、屏不清晰度和运动不清晰度。,第三章 涡流检测技术,利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损地评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法。称为涡流检测。涡流检测只能用于导电材料的检测。对管、棒和线材等型材有很高的检测效率。,3.1涡流检测的基本原理一、涡流检测的基本原理 当载有交变电流的检测线圈靠近导电工件时，由于线圈磁场的作用，工件中将会感生出涡流（其大小等参数与工件中的缺陷等有关），而涡流产生的反作用磁场又将使检测线圈的阻抗发生变化。因此，在工件形状尺寸及探测距离等固定的条件下，通过测定探测线圈阻抗的变化，可以判断被测工件有无缺陷存在。,三、涡流的趋肤效应和渗透深度1.趋肤效应 感应出的涡流集中在靠近激励线圈的材料表面附近的现象。涡流密度随着距离表面的距离增加而减小。2.渗透深度 趋肤效应的存在，使交变电流激励磁场的强度及感生涡流的密度，从被检材料的表面到其内部按指数分布规律递减。将涡流密度衰减为其表面密度的1/e（36.8%）时对应的深度定义为：,通过式（3-6）可分析出影响线圈阻抗的因素是材料自身的性质和线圈与试件的电磁耦合状况，主要包括（1）电导率。（2）圆柱体直径。（3）相对磁导率r。（4）缺陷。（5）检测频率。,（3）放置式线圈。在检测过程中以轴线垂直于被检工件表面的方位放置在其上的线圈为放置式线圈。用放置式线圈检测板材时，线圈阻抗的变化不仅与材料的电导率、磁导率等因素的变化有关，而且还受线圈至板材表面的距离变化的影响，此即所谓“提离效应”。当测定材料表面涂层或镀层厚度时，要利用放置式线圈的提离效应。而为了测量材料的电导率或进行材料探伤时，则要设法通过选择频率来减小提离效应的干扰。提高检测结果的准确性和可靠性。,二、涡流检测线圈（1）按感应方式分类。按照感应方式不同，检测线圈可分为自感式线圈和互感式线圈（又称为参量式线圈和变压器式线圈），见下图所示。自感式线圈由单个线圈构成，该线圈产生激励磁场，在导电体中形成涡流，同时又是感应、接收导电体中涡流再生磁场信号的检测线圈，故名自感线圈。互感线圈一般由两个或两组线圈构成，其中一个（组）是用于产生激励磁场在导电体中形成涡流的激励线圈(又称一次线圈)，另一个(组)线圈是感应、接收导电体中涡流再生磁场信号的检测线圈(又称二次线圈)。,不同感应方式的检测线圈(a)自感式线圈；(b)互感式线圈,（2）按应用方式分类。按照应用方式不同，检测线圈可分为外通过式线圈、内穿过式线圈和放置式线圈。放置式线圈又称为探头式线圈。在应用过程中，外通过式线圈和内穿过式线圈的轴线平行于被检工件的表面，而放置式线圈的轴线垂直于被检工件的表面。这种线圈可以设计、制作得很小，而且线圈中可以附加磁芯，具有增强磁场强度和聚焦磁场的特性，因此具有较高的检测灵敏度。,不同应用方式的检测线圈(a)放置式线圈；(b)外通过式线圈；(c)内穿过式线圈,（3）按比较方式分类。按照比较方式不同，检测线圈可分为绝对式线圈和差动式线圈，而差动式线圈又分标准比较式和自比较式两种(见下图)。绝对式线圈是一种只用一个检测线圈进行涡流检测的方式称为绝对式线圈，仅针对被检测对象某一位置的电磁特性直接进行检测的，而不与被检对象的其他部位或对比试样某一部位的电磁特性进行比较检测。差动式是指两个检测线圈反接在一起进行工作的方式。,不同比较方式的检测线圈(a)绝对式线圈；(b)自比较式线圈；(c)标准比较式线圈,振荡器产生各种频率的振荡电流通过检测线圈，线圈产生交变磁场并在工件中感生涡流。当试件存在缺陷或物性变化时，线圈电压发生变化，通过信号检出电路将线圈电压变化量输入放大器放大，经信号处理器消除各种干扰信号，最后将有用的信号输入显示器显示检测结果。,4.磁滞回线：描述磁滞现象的闭合磁化曲线。饱和磁场强度 Bm 剩磁 Br矫顽力 Hc铁磁性材料的特性：1）高导磁性2）磁饱和性3）磁滞性,根据矫顽力Hc大小分为软磁材料（Hc400A/m）和硬磁材料（Hc8000A/m）。(1)软磁材料是指磁滞回线狭长，具有高磁导率、低剩磁、低矫顽力和低磁阻的铁磁性材料。软磁材料磁粉检测时容易磁化，也容易退磁。软磁材料如电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧体等材料。(2)硬磁材料是指磁滞回线肥大，具有低磁导率、高剩磁、高矫顽力和高磁阻的铁磁性材料。硬磁材料磁粉检测时难以磁化，也难以退磁。硬磁材料如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。,2、磁力检测原理,基本原理：铁磁材