第一章 無(wú)損檢測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)

第一節(jié) 無(wú)損檢測(cè)概述

一、無(wú)損檢測(cè)概念

（一）無(wú)損檢測(cè)的定義

無(wú)損檢測(cè)（NDT）是一門綜合性的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，它是在不改變或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，借助于物理手段，對(duì)其進(jìn)行宏觀與微觀缺陷檢測(cè)，幾何特性度量、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的評(píng)定，并進(jìn)而就其使用性能做出評(píng)價(jià)的一門學(xué)科。日常生活中無(wú)損檢測(cè)方法常被使用，如買西瓜用手輕輕拍打西瓜外皮，聽(tīng)聲響或憑手感，想猜一下西瓜的生熟，這是人們常有的習(xí)慣，這種并不損壞西瓜而知西瓜生熟的檢測(cè)方式就是生活中的“無(wú)損檢測(cè)”。不過(guò)，需要指出的是，類似“拍皮猜瓜”這些古老而簡(jiǎn)單的無(wú)損檢測(cè)方法盡管至今仍在沿用，但因它們對(duì)缺陷的位置和大小做不出“基本相符”的判斷，而不被視為無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)方法。真正的技術(shù)方法必須確保無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

（二）無(wú)損檢測(cè)的作用

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)廣泛深入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用等各個(gè)方面，它在產(chǎn)品質(zhì)量控制中所起的不可取代的重要作用已為日益眾多的科技人員和企業(yè)家所認(rèn)同。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位要充分考慮無(wú)損檢測(cè)的實(shí)際能力，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與無(wú)損檢測(cè)的靈敏度、分辨率和可靠性相一致；在制造階段，為確保產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同樣要運(yùn)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原料的缺陷以及非均質(zhì)性進(jìn)行鑒定和評(píng)價(jià)；在使用階段，為保證使用的可靠性，使用部門必須根據(jù)設(shè)計(jì)部門規(guī)定的周期和方法及制造部門所提交的檢測(cè)細(xì)則對(duì)指定零部件進(jìn)行可靠的無(wú)損檢測(cè)甚至于實(shí)時(shí)監(jiān)控。事實(shí)上，就是用戶訂貨，也常常通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)收檢查，有人說(shuō)，現(xiàn)代工業(yè)是建立在無(wú)損檢測(cè)基礎(chǔ)之上的，此并非言過(guò)其實(shí)之詞，現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅形式多樣，技術(shù)手段也日臻成熟，在鑄件、鍛件、棒材、粉末冶金制件、焊接件、非金屬材料、陶瓷制件、復(fù)合材料、鍋爐、壓力容器、核電設(shè)備等許多領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用，對(duì)于改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工藝、降低制造成本以及提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性等具有十分重要的意義，其作用主要有：

1．無(wú)損探傷 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。無(wú)論是鑄件、鍛件、焊接件、鈑金件或機(jī)加工件以至非金屬結(jié)構(gòu)都能應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探測(cè)它表面或內(nèi)部缺陷，并進(jìn)行定位定量分析。

2．材料檢測(cè) 用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)定材料的物理性能和組織結(jié)構(gòu)，能判斷材料的品種和熱處理狀態(tài)，進(jìn)行材料分選。

3．幾何度量 產(chǎn)品的幾何尺寸、涂層和鍍層厚度、表面腐蝕狀態(tài)、硬化層深度和應(yīng)力密度都能用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果利用斷裂理論確定是否進(jìn)行修補(bǔ)和報(bào)廢處理，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命評(píng)定。

4．現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視 對(duì)在役設(shè)備或生產(chǎn)中的產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或動(dòng)態(tài)檢測(cè)，將產(chǎn)品中的缺陷變化信息連續(xù)的提供給運(yùn)行和生產(chǎn)部門實(shí)行監(jiān)視。在高溫、高壓、高速或高負(fù)載的運(yùn)行條件下尤其需要無(wú)損檢測(cè)。例如壓力容器和鋼軌的探傷等。

（三）無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)

1．不破壞被檢對(duì)象。

2．可實(shí)現(xiàn)100%的檢驗(yàn)。

3．發(fā)現(xiàn)缺陷并做出評(píng)價(jià)，從而評(píng)定被檢對(duì)象的質(zhì)量。

4．可對(duì)缺陷形成原因及發(fā)展規(guī)律做出判斷，以促進(jìn)有關(guān)部門改進(jìn)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。

5．對(duì)關(guān)鍵部件和關(guān)鍵部位在運(yùn)行中作定期檢查，甚至長(zhǎng)期監(jiān)控以保證運(yùn)行安全，防止事故發(fā)生。

（四）無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展

從無(wú)損檢測(cè)的作用和特點(diǎn)表明，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，它必將隨著工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步而發(fā)展，早期的無(wú)損檢測(cè)稱為無(wú)損探傷（NDI），它的作用是在不損壞產(chǎn)品的前提下發(fā)現(xiàn)人眼無(wú)法看到的缺陷，以滿足工程設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度要求。第二階段稱為無(wú)損檢測(cè)（NDT），這個(gè)階段始于70年代，它不但檢測(cè)最終產(chǎn)品，而且要測(cè)量各種工藝參數(shù)，制成工件后還需知道它的組織結(jié)構(gòu)、晶粒大小和殘余應(yīng)力等。第三階段稱為無(wú)損評(píng)價(jià)（NDE），尤其對(duì)航空、航天、核電、能源、交通、石油和化工等方面的機(jī)械產(chǎn)品，在加強(qiáng)檢測(cè)同時(shí)注重產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)價(jià)，確保每一件產(chǎn)品都是合格的。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已從一般無(wú)損評(píng)價(jià)發(fā)展到自動(dòng)無(wú)損評(píng)價(jià)，采用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，盡可能減少人為因素的影響，這在超聲檢測(cè)的發(fā)展中成效突出，例如鋼軌探傷車。這種發(fā)展趨勢(shì)促使無(wú)損檢測(cè)人員應(yīng)具有更廣的知識(shí)面，更深厚的基礎(chǔ)理論和更高的綜合分析能力。

二、常用無(wú)損探傷方法*

無(wú)損探傷是無(wú)損檢測(cè)（包括探傷、測(cè)量、評(píng)價(jià)）的一個(gè)重要組成部分，它是對(duì)材料、工件或組件進(jìn)行非破壞性檢測(cè)和分析，以發(fā)現(xiàn)材料和構(gòu)件中非連續(xù)性宏觀缺陷（如裂紋、夾渣、氣孔等）為主要目的的檢驗(yàn)。無(wú)損探傷的方法種類較多，據(jù)美國(guó)國(guó)家宇航局調(diào)研分析，認(rèn)為可分六大類約70余種，但在實(shí)際應(yīng)用中較普遍的為超聲探傷、射線探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷五種常規(guī)方法，除此之外，還有紅外監(jiān)測(cè)、聲振檢測(cè)、激光全息攝影、微波探傷、同位素射線示蹤等非常規(guī)探傷技術(shù)。鑒于超聲波探傷在目前占有舉足輕重的地位，本書將在后面予以重點(diǎn)介紹，以下針對(duì)其它幾種常規(guī)探傷簡(jiǎn)要介紹基本原理、主要特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。

（一）射線探傷（RT）

射線通常指Χ射線、γ射線、α射線、β射線和中子射線等，其中，Χ射線、γ射線和中子射線因易于穿透物質(zhì)而在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中獲得了廣泛應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用中的射線探傷技術(shù)大體上可以分為：射線照相探傷技術(shù)、射線實(shí)時(shí)成相探傷技術(shù)、射線層析（CT）探傷技術(shù)等，常規(guī)的射線探傷技術(shù)一般指射線照相探傷技術(shù)（以下均以此技術(shù)介紹），其基本原理（圖1－1）：射線在穿過(guò)物質(zhì)的過(guò)程中，會(huì)受到物質(zhì)的散射和吸收作用，因物體材料、缺陷和穿透距離的不同，射線強(qiáng)度將產(chǎn)生不同程度的衰減，這樣，當(dāng)把強(qiáng)度均勻的射線照射到物體的一側(cè)，使透過(guò)的射線在物體另一側(cè)的膠片上感光，把膠片顯影后，得到與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對(duì)應(yīng)的黑度不同的圖像，即射線底片。通過(guò)對(duì)圖像的觀察分析，最終確定物體缺陷的種類、大小和分布情況。

射線探傷適用于體積形缺陷探測(cè)。如氣孔、夾碴、縮孔、疏松等，對(duì)片形缺陷檢測(cè)較難。

（二）磁粉探傷（MT）

磁粉探傷是指把鋼鐵等鐵磁性材料磁化后，利用缺陷部位所發(fā)生的磁極吸附磁粉的特性，顯示缺陷位置的方法。把一根中間有橫向裂紋的強(qiáng)磁性材料試件進(jìn)行磁化后（圖1－2），可以認(rèn)為磁化的材料是許多小磁鐵的集合體，在沒(méi)有缺陷的連續(xù)部分，由于小磁鐵的N、S磁極互相抵消，而不呈現(xiàn)出磁極，但在裂紋等缺陷處，由于磁性的不連續(xù)將呈現(xiàn)磁極，在缺陷附近的磁力線繞過(guò)空間出現(xiàn)在外面，此即缺陷漏磁，缺陷附近所產(chǎn)生的稱作為缺陷的漏磁場(chǎng)，其強(qiáng)度取決于缺陷的尺寸、位置及試件的磁化強(qiáng)度等，這樣，當(dāng)把磁粉散落在試件上時(shí)，在裂紋處就會(huì)吸附磁粉，稱為缺陷磁粉跡痕，由此可以發(fā)現(xiàn)缺陷的部位。

磁粉探傷僅適用于鐵磁材料的表面或近表面缺陷的檢測(cè)，其探傷靈敏度高低受試件表面光潔度、缺陷形狀和取向、磁化方法和范圍等影響。磁粉探傷能確定缺陷的位置、大小和形狀，但對(duì)缺陷深度確定較難。磁粉探傷的方法可分為連續(xù)法和剩磁法兩種。

（三）滲透探傷（PT）

滲透探傷是指將溶有熒光染料（熒光探傷）或著色染料（著色探傷）的滲透液施加在試件表面，滲透液由于毛細(xì)作用能滲入到各型開(kāi)口于表面的細(xì)小缺陷中，此時(shí)清除附著在表面的多余滲透液，把工件表面多余的滲透液清洗干凈，但不得把已深入缺陷內(nèi)的滲透液清洗掉，然后經(jīng)干燥和施加顯像劑后，在黑光或白光下觀察，缺陷處可分別相應(yīng)地發(fā)出黃綠色的熒光或呈現(xiàn)紅色，從而能夠用肉眼檢查出試件表面的開(kāi)口缺陷。滲透探傷的基本步驟見(jiàn)圖1－3。滲透探傷除熒光滲透探傷和著色滲透探傷方法外，還有濾出粒子探傷法，氪氣體滲透成像等。

滲透探傷適用于檢測(cè)金屬和非金屬材料表面開(kāi)口的裂紋、折疊、疏松、針孔等缺陷。它能確定缺陷的位置、大小和形狀，但難于確定其深度，不適用于探測(cè)多孔性材料及材料內(nèi)部缺陷。

（四）渦流探傷（ET）

渦流探傷是將通有交流電的激勵(lì)線圈靠近某一導(dǎo)電試件（圖1－4），由于電磁感應(yīng)作用，進(jìn)入試件的交變磁場(chǎng)可在試件中感生出方向與激勵(lì)磁場(chǎng)相垂直的、呈旋渦狀流動(dòng)的電流（渦流），此渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)會(huì)影響原磁場(chǎng)的變化，從而引起線圈阻抗的變化，通過(guò)對(duì)線圈阻抗變化的測(cè)量，就可得知試件中產(chǎn)生的渦流狀況，從而獲悉與試件有關(guān)的一些參量。當(dāng)試件內(nèi)有缺陷時(shí)，渦流因流動(dòng)途徑的變化，使渦流磁場(chǎng)也相應(yīng)變化，經(jīng)試驗(yàn)線圈檢出異常磁場(chǎng)的變化量，可獲得缺陷的信息。

由于渦流是交流電，具有集膚效應(yīng)，在導(dǎo)電試件的表面較多，隨著渦流向試件內(nèi)部的深入，電流按指數(shù)函數(shù)而減少，因此，渦流探傷主要適用于金屬和石墨等導(dǎo)電材料的表面和近表面缺陷，通常能夠確定缺陷的位置和相對(duì)尺寸，不適用于非導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)。

以上介紹了四種常用探傷方法，超聲波探傷將在后面詳細(xì)敘述。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，射線探傷和超聲波探傷適合于內(nèi)部缺陷探測(cè)，而磁粉、滲透、渦流探傷則適合于表面缺陷探測(cè)，它們各有其優(yōu)越性，選擇哪一種探傷方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，必須結(jié)合缺陷具體情況合理配合使用，才會(huì)收到更好的效果。幾種探傷方法的比較見(jiàn)表1－1。