1、1.1 无损检测的意义,1.1.1 无损检测的英文缩写为： Non-Destructive Testing 无损检测，在不破坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助现代的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法或者技术，亦称为无损探伤，属于非破坏性检测方法的范畴。 它与某些破坏性检测方法，如力学性能检验、化学分析试验、金相检验、SEM、TEM等具有很强的互补性。尤其适合成品检验和在役运行产品的检验。,工艺缺陷举例,铸件：可能有缩孔、疏松、冷隔、裂纹等； 焊件：可能有气孔、夹杂、未熔合、未焊透、裂纹等； 锻件：往往有裂纹、褶皱、夹层、夹杂等； 热处理件：可能出现
2、裂纹、变形、脱碳、过烧、过热、偏析、组织粗大等等。 混凝土：蜂窝、孔洞、裂缝、露筋等 陶瓷：变形、开裂、夹层、裂纹等 高分子及其他产品中缺陷,1.1.3 无损检测的意义 (1) 质量管理即控制产品质量，保证设备安全运行。生产高质量产品的需要 生产高质量的产品，往往需要从原材料、试板，到零件、部件乃至最终产品，都进行较严格的质量控制，即实行全面质量管理。而无损探伤技术恰好是必不可少的技术手段。设备在役安全运行期间跟踪监测的需要 设备运行期间也可能产生新的缺陷。如：应力腐蚀裂纹、延迟裂纹、疲劳裂纹等等。需要定期或不定期地进行质量跟踪，以保证其运行的安全性。如核反应堆中的压力容器。,（2）工艺改进即
3、改进制造技术，优化制造工艺；在新产品研制、新工艺制定过程中，对于某些工艺参数、工艺措施的确定，有时需要进行严格的工艺评定，借助先进的无损检测技术可筛选出最佳规范，进而制定出新产品的工艺规程，最终制造出合格的产品或优质产品。,（3）效率、效益保证及时发现缺陷，降低生产成本；在复杂产品的加工过程中往往经历：“零件制备部件组成结构总成”等较长生产周期。在重点工序适时进行合理、适度的检验，可及时消除该工序产生的缺陷、防止同类缺陷的重复出现。这样做比在产品加工完成后再来消除缺陷更节省时间、材料和工时。从而降低了生产成本。而且，及时返修在操作上也较为容易。,1.2.1 无损检测的特点材料无损检测技术主要用
4、于未知工艺缺陷的检验。它是对破坏性检验的补充和完善。与破坏性检验相比,其特点是：(1)非破坏性是指在获得检测结果的同时，除了剔除不合格品外，不损失零件。因此，检测规模不受零件多少的限制，既可抽样检验，又可在必要时采用普检。因而，更具有灵活性（普检、抽检均可）和可靠性。,1.2 无损检测的特点,(2)互容性即指检验方法的互容性，即：同一零件可同时或依次采用不同的检验方法；而且又可重复地进行同一检验。这也是非破坏性带来的好处。(3)动态性这是说，无损探伤方法可对使用中的零件进行检验，而且能够适时考察产品运行期的累计影响。因而，可查明结构的失效机理。(4)严格性是指无损检测技术的严格性。首先无损检测
5、需要专用仪器、设备；同时也需要专门训练的检验人员，按照严格的规程和标准进行操作。,(5)检验结果的分歧性不同的检测人员对同一试件的检测结果可能有分歧。特别是在超声波检验时，同一检验项目要由两个检验人员来完成。需要“会诊”！(6)可靠性问题 目前还没有一种对所有材料或者缺陷都可靠的无损检测方法，无损检测的结论的正确与否还有待于其他手段检验，可靠性有待提高概括起来,无损检测的特点是：非破坏性、互容性、动态性、严格性以及检测结果的分歧性等。,1.4 无损检测的主要技术及其各自特点,超声波检测（Ultrasonic Testing）简称UT 基本原理：利用超声波在不同物质的界面处反射、折射、波型转变以
6、及在介质中传播过程中的衰减，由发射探头向被检件发射超声波，由接收探头,特点:灵敏度高，即可检测表面缺陷，又可以检测内部缺陷，尤其对平面型缺陷具有很高的检测能力,射线检测 （Radiography Testing）简称RT,利用各种射线对材料的透射性能及不同材料对射线的吸收、衰减程度不同，使底片感光获得图像。 射线的种类很多，其中易于穿透物质的有X射线、射线、中子射线三种。这三种射线都被用于无损检测，其中X射线和射线广泛用于锅炉压力容器焊缝和其他工业产品、结构材料的缺陷检测，而中子射线仅用于一些特殊场合。,X射线物理基础 特点：对体积型缺陷比较灵敏，而对二位缺陷不敏感,磁粉检测（Magnetig
7、 Testing）简称MT,钢制（Fe、Co、Ni及其合金）的工件放在磁场中就会被磁化，如果工件表层存在缺陷，例如裂缝、夹杂物等，磁力线只能绕过缺陷，形成局部磁极。如果在工件表面撒上导磁性良好的磁粉，它就会受局部磁极的吸引而堆积，于是显出了缺陷的位置和形状,检测铁磁性材料表面和近表面缺陷，设备简单，操作方便，观察直观,渗透检测（Penetrant Testing）简称PT,基本原理：由于渗漏液的润湿和毛细管效应而进入表面开口的缺陷，随后被吸附和显像。,涡流检测（Eddy current Tes.）简称ET,基本原理：电磁感应，交变电流在导体表面形成涡状流动的电流，简称涡流,特点：测试效率高，表
8、面不需要清洗等程序 对磁性和非磁性导电材料有效 表面和近表面检测,声发射检测 (Acoustic Emission),材料或构件因受力产生变形或断裂，以弹性波的形式释放出应变能称为声发射。利用接收声发射信号研究材料、动态评价结构的完整性称为声发射检测技术。 材料的范性形变、马氏体相变、裂纹扩展、应力腐蚀以及焊接过程产生裂纹和飞溅等，都有声发射现象，检测到声发射信号，就可以连续监视材料内部变化的整个过程。因此，声发射检测是一种动态无损检测方法。,红外检测 (Infra-red Tes.),基本原理：热传导和红外辐射。利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射
9、、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。 红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。,其他检测技术,激光全息无损检测 声振检测 微波检测,本章思考题：1. 材料无损检测有哪些实际意义？ 2. 无损检测的基本特点有哪些?3. 哪些检验属于破坏性检验?对本课程建议,2.1 工艺缺陷的概念及分类,2.1.1 工艺缺陷的概念 （1）什么是工艺缺陷？ 在材料加工成型过程中，经常会出现某种或某些不合乎质量要求的外观缺陷、性能缺陷、组织缺陷和更为严重的内部几何不连续型缺陷（如裂纹、孔洞、夹杂等）。我们把这些“冶金因素
10、、结构因素、工艺因素”导致的产品质量不符合相关标准要求的各类缺陷统称为工艺缺陷。,工艺缺陷种类繁多，产生原因也相当复杂。为了便于分析和处理工艺缺陷、制定检验工艺、方便技术交流，有必要对其进行分类。,2.1.2 工艺缺陷的分类,（1）按材料和加工艺方法分为：,金属材料：焊接缺陷 铸造缺陷 锻压缺陷 热处理缺陷 淬火、回火、退火 冷加工 金属型材：板材， 管材，棒材 非金属材料：混凝土，陶瓷，高分子 复合材料：,(2)按技术内涵大体分为：,加工、装配缺陷 如焊件坡口角度、装配间隙不均匀，错边量过大等； 形状、尺寸缺陷 如工件变形、焊缝宽窄不一致、焊缝余高过大、表面塌陷、满溢、焊瘤等等；,几何不连续
11、型缺陷 如焊件中的裂纹、孔洞、夹杂、未熔合、未焊透，铸件中的缩孔、疏松、裂纹等等； 组织、性能缺陷 如机械性能不良、耐腐蚀性下降、过热组织、脆性组织、偏析等等；,其它工艺缺陷 如飞溅、表面划伤、电弧擦伤、凿痕、磨痕等等。,（3）按缺陷性质不同分为：裂纹如冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂、火口裂纹等； 孔穴如缩孔、气孔等； 固体夹杂如夹渣、夹钨等； 未熔合如坡口未熔合、层间未熔合；未焊透如根部未焊透、中部未焊透；其它缺陷未包含在以上5种缺陷中的缺陷，如咬边、烧穿、焊瘤、电弧划伤等。,（4）按缺陷的埋藏深度分为：表面缺陷如表面气孔、表面裂纹、砂眼、咬边等； 近表面缺陷如皮下气孔、夹杂等；内部缺陷
12、如内部夹杂、气孔、缩孔、裂纹、未熔合、未焊透等； (5)按缺陷的几何特征不同分为：体积型 如孔洞、夹杂等；面积型如裂纹、未熔合、夹层等；,（6）按具体缺陷的位置特征又有不同的称谓：例如： 裂纹可分为：HAZ 裂纹、焊缝裂纹、火口裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹等； 未熔合可分为：坡口未熔合、层间未熔合、根部未熔合。（7）其它分类：按裂纹走向不同有：横向裂纹、纵向裂纹、人字形裂纹、辐射形裂纹等称谓；按裂纹尺寸不同又有：宏观裂纹、微裂纹等称谓。,按具体缺陷产生机理又有不同的分类，例如： 焊接接头中的裂纹因其产生机理不同有：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂等；焊件中的气孔又分为：氢气孔、氮气孔、CO气孔等
13、等。,2.2 材料和加工工艺中常见缺陷,2.2.1 金属材料加工工艺：铸造缺陷锻压缺陷焊接缺陷 热处理缺陷 淬火、回火、退火 冷加工 2.2.2 金属型材缺陷：板材， 管材，棒材 2.2.3 非金属材料：混凝土，陶瓷，高分子 复合材料：,2.2.1 加工工艺缺陷铸造,铸造是一种非常重要的生产工艺，具有：制成复杂的毛坯，大小不受限制从几克到几百吨，成本低铸造缺陷 1. 气孔 由于溶化的金属在凝固时，产生的气体来不及溢出金属表面或者内部产生的圆孔危害：破坏了结构的连续性，应力集中，降低冲击韧性和疲劳强度,2. 缩孔和缩松 金属在凝固时，由于收缩而产生的缺陷。缩孔由于金属溶液流动性凝固产生的空洞；缩
14、松，多孔疏松部分或者密集的小气空群危害性同气孔,3. 夹砂与夹渣夹砂：浇注时由于型砂受到熔液的冲击渗入铸件内部而形成的缺陷，一般在大型的铸件中出现；夹渣：浇铸时由于铸液中的溶渣没有与铸液分离开而进入铸件形成的 危害：同上，已在经受锻压或其他加工时产生裂纹,4. 裂纹 由于铸件各部分的冷却速度不均匀而产生的残余应力超过材料的断裂强度时引起的，根据发生的温度不同分为热裂纹和冷裂纹，存在铸件表面和内部 危害性：很大，引起铸件的报废,5. 冷隔和浇不足浇铸温度太低，金属熔液在铸模中不能充分流动而造成的一类缺陷。发生在表面的叫做冷隔，因熔液没流入形成的缺口叫做浇不足,6. 偏析化学成分不均匀和组织不均匀
15、,2.2.1 加工工艺缺陷锻造,锻件的原料缺陷，缺陷多半是有铸件遗留下来的，所以铸件的各种缺陷在锻件中都可能发生。此外，在锻造过程中产生新的缺陷 夹砂和夹渣缩孔和疏松 金属和非金属夹杂物 龟裂 原材料成分不当、表面状况不好、加热温度和加热速度不合适产生,5. 过热 加热温度过高或者保温时间过长，引起晶粒粗大的现象称为过热 6. 过烧 加热温度超过始端温度过多，使材料内部晶界氧化并产生较大的裂纹，或者引起显著的晶粒粗大，其形状与龟裂相同 7. 折叠 工艺不当，将坯料已氧化的表层引入工件,2.2.1 加工工艺缺陷焊接,焊接常用见的生产工艺，船体、高炉的炉壳、建筑构架，锅炉与压力容器、车厢、轨道、机
16、翼等等 缺陷很多，以未焊透和裂纹危害最大 1. 裂纹,根据裂纹产生的机理，焊接裂纹可分为： 焊接热裂纹：结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹 焊接冷裂纹：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性裂纹 再热裂纹 层状撕裂 应力腐蚀裂纹,一、热裂纹的主要特征,热裂纹出现时间：在结晶后期，邻近固相线的温度范围内，焊后立即产生；结晶裂纹主要产生钢种：在含碳、硫、磷等杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中 ；热裂纹主要分布位置：在焊缝中心、弧坑，有的分布在焊缝的柱状晶晶界，有的分布在热影响区的过热区,热裂纹的显微特征： 产生具有沿晶开裂特征，它是沿原奥氏体晶界开裂，裂纹 尖端圆钝，
17、裂纹表面还多伴随有氧化色彩 。 热裂纹的产生与焊缝和热影响区中碳、硫、磷等杂质的含量及结晶后期硫、磷等在晶界形成的低熔点共晶有关 ；,一、 冷裂纹的分类,(一) 延迟裂纹 这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是有一定孕育期，具有延迟现象 1. 焊趾裂纹 2. 焊道下裂纹 3. 根部裂纹,(二) 淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹) 它完全是由冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的，这种裂纹基本上没有延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上,(三) 低塑性脆化裂纹 某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备而产生
18、的裂纹,二、冷裂纹的特征 1. 容易出现冷裂纹的钢种 冷裂纹常产生在中、高碳钢，低合金高强钢和钛合金等金属材料焊接接头中。这与钢种的淬硬倾向有关。淬硬倾向越大的钢种，冷裂纹倾向越大。 2. 形成冷裂纹的温度 冷裂纹是在材料的马氏体转变点（Ms）以下。 3.冷裂纹的延迟特征冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间(几小时，几天甚至更长)才出现。且随时间延长逐渐增多并扩展。 4. 冷裂纹的开裂形式冷裂纹多出现在焊接热影响区，有时也出现在焊缝。冷裂纹的断裂与热裂纹不同，它是既有沿晶、又有穿晶开裂的复杂断口。,2. 未焊透 在有坡口的焊接或者丁字焊时，由于焊条或者焊接电流过低，使电弧不能到达坡口
19、底部而产生的缺陷,3. 未熔合 4. 夹渣和夹杂 5. 气孔 6. 咬边,2.2.1 加工工艺缺陷热处理,过热、过烧、氧化、脱碳、变形、裂纹,2.2.2 金属型材缺陷板材,板材 普通板材和复合板材 1.分层和夹杂物 钢锭中存在气孔、缩孔、夹渣等以致压合不紧密引起的 2. 裂纹 千差万别，由于偏析、气孔、氧化皮等以致压合不紧密引起的，条状小裂纹，龟裂装，边缘锯齿状裂纹等 3. 皮下气孔 钢锭中存在气孔、缩孔等以致压合不紧密引起的,4. 表面缺陷 5. 脱黏 复合板材异质材料在界面处没结合成一体,2.2.2 金属型材缺陷管材,管材： 外壁划痕： 横向裂纹：材料含铜量过多，变形量过大、加热过度等产生
20、的缺陷，与轴向垂直或近似垂直 总向裂纹： 由于加热不良、热处理不良以及加工方法不良等产生的缺陷，方向与管材的轴向平行或者近似平行,2.2.2 金属型材缺陷棒材,裂纹 根据形状，横向裂纹，纵向裂纹和过烧裂纹。横向裂纹与压延方向垂直，成分不均引起的；纵向裂纹，比较深的线性裂纹，热应变，气孔等引起；过烧在棒材表面形成小鳞状裂纹 夹杂 钢钉中的夹杂物 表面缺陷 材料表面粗糙度、轧辊调整的不好等原因引起的,2.2.3 非金属材料-混凝土,蜂窝: 混凝土结构局部出现酥松、多砂少浆，石子之间有空隙，想蜂窝状，危害很大 孔洞：空隙，局部蜂窝较大， 裂纹： 起源内部的微气孔、未裂纹 露筋 表面不平整 麻面： 混
21、凝土表面的小坑和麻点，形成粗糙面，但无露筋,陶瓷材料及成型工艺,陶瓷材料的成型：干压成型、注浆成型、热压成型、注射成型,2.2.3 非金属材料-陶瓷,陶瓷可分为日用陶瓷和技术陶瓷 变形：内外因，配料不当，结构不合理；装窑不当，升温过快等 开裂：坯体开裂和釉裂 夹层： 釉层剥离 粘疤 黑点：表面形成黑色的斑点，烟气中CO剧烈分解析出碳,复合材料中的缺陷,定义分类：1.按照基体材料肥沃金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料2. 按照增强体的形态，分为颗粒增强复合材料、显微增强复合材料、夹层复合材料和三维编织复合材料,复合材料的成型树脂基复合材料成型,手糊成型、层压成型、热压罐成型、喷射成型
22、、对模模压成型、缠绕成型,复合材料及成型工艺：,复合材料的成型金属基复合材料成型,粉末冶金法、挤压铸造法、喷射沉积法、热压法、连接,泥浆烧铸法、热压烧结法、浸渍法,孔隙 分层 夹杂 纤维弯曲 不均匀,常见的复合材料缺陷,夹芯结构以及蜂窝芯子 面板 胶接层 蜂窝芯子,纤维断裂、树脂富集和孔洞,面芯脱胶,23 工艺缺陷的危害及其 对产品质量的影响,2.3.1 工艺缺陷的危害性（定性分析）应该指出，处在同一位置上的不同性质的缺陷、或处在不同位置的同一性质的缺陷，其危害性是不尽相同的：(1)对于同一性质的缺陷（即使数量、大小相同）有：,表面缺陷比内部缺陷危害性大; 位置特征高应力区的缺陷比低应力区的缺
23、陷危害性大； 应力特征与主应力垂直的片状缺陷比平行主应力时危害性大； 走向特征应力集中区的缺陷比非应力集中区的缺陷危害性大； 缺口效应对疲劳强度的影响比静载强度的影响大； 载荷特征未发现的缺陷比已发现的缺陷危害性大； 掌控状态,(2)不同性质的缺陷危害性排序（从大到小）：裂纹 未熔合，未焊透 咬边 夹杂（条状） 夹杂(圆形) 气孔。 应该强调，任何一种缺陷达到相当严重的程度都会造成危害，不仅会造成结构的破坏，甚至会酿成灾难性事故！尤其对于裂纹类缺陷工艺上是不能容忍的！ 必须彻底铲除!,2.3.2 工艺缺陷产生危害的本质 (1)使工件的有效承载截面F受到削弱，因而使实际平均应力增大。(2)缺陷造
24、成的几何不连续，导致局部应力集中！引起缺口尖端的局部三向拉应力，使材料性能变脆，即产生缺口效应；可能引起裂纹失稳扩展，造成低应力破坏（脆断）；结构的应力集中点又容易引发疲劳裂纹；成为疲劳裂纹源!应力集中区也容易加剧引起应力腐蚀开裂。,总之，材料强度越高、加工精度越高、对应力集中越敏感，工艺缺陷造成的危害越大。 2.3.3 工艺缺陷的产生原因这个问题十分复杂，需要具体问题具体分析。从总体上说，主要来自： 冶金因素如化学成分、碳当量、杂质含量、冷却速度等等；结构（力学）因素如壁厚、应力集中、截面突变、拘束应力等等；工艺因素预热条件、烘干温度、清理、环境湿度、规范参数等等；,对于每种具体缺陷的产生原
25、因，还要结材料成型原理课程的学习来深入理解。譬如: 焊接冷裂纹的产生原因 ( 三要素):接头中的淬硬组织 M;接头中的较高拘束应力R;扩散氢含量的影响。三因素相互促进，加剧焊缝在焊根或熔合线处的开裂倾向。,2.4 材料无损检测方法 的种类及其适用性,2.4.1 常用的无损探伤方法及探伤原理材料或工件未知工艺缺陷的检测中常用的无损探伤方法有：(1)射线探伤（RT） 是利用射线的穿透性和衰减性来发现缺陷，即射线能够穿透物质并且在物质中有衰减的物理特性来发现缺陷的。该法是工业生产中最常用的NDT方法!,2.4.1 常用的无损探伤方法及探伤原理,(2)超声波探伤（UT） 是利用超声波在物质中传播、反射
26、和衰减等物理性质来发现缺陷的。该法与射线探伤法形成优势互补.(3)磁力探伤（MT） 是通过对铁磁材料进行磁化所产生的漏磁场来发 现其表面及近表面缺陷的。在黑色金属的表面检测中应用广泛.,2.4.1 常用的无损探伤方法及探伤原理,(4)渗透探伤（PT） 是利用荧光染料或红色染料渗透剂的渗透作用显现工件表面开口型缺陷痕迹的。注意:不能用于多孔型材料! (5)涡流探伤(ET) 是利用涡流的集肤效应及其在缺陷处的畸变行为来发现和检测缺陷的。 此外，还有液晶探伤、中子探伤、全息探伤、声发射探伤等等。,检测方法简介的说明,有关各种检测方法的技术内涵和要点将在今后各章的讲授中，深入理解。 总之，每种方法既有
27、它的优势，也有它的局限性。这一点就像没有包治百病的良药一样！ 应用是应根据检测工艺需要,认真进行选择!,2.4.2五种常用无损探伤法的适用性射线探伤：适用于材料内部体积型缺陷：孔洞、夹杂、未焊透等；对于面积缺陷（如裂纹等）有选择性：即缺陷平面与射线透照方向平行或接近平行时非常适用；而当缺陷平面与射线透照方向垂直时极不敏感！易出现漏检! 超声波探伤：适用于大多数缺陷的检测，但检出容易，定量难。不易发现细小裂纹。另外，由于检测系统存在盲区，故不适合薄板的检测。,2.4.2五种常用无损探伤法的适用性, 磁力探伤：适合铁磁性材料的表面缺陷及近表面缺陷的探伤；不适用于非铁磁性材料，如铜、铝、奥氏体钢等等
28、；(4) 渗透探伤：适用于各种材料表面的开口型缺陷的检测（如裂纹、针孔等）；但不适用多孔型材料；(5) 涡流探伤：适用于各种导电材料的表面及近表面缺陷的探测。不适于非导电材料的缺陷检测。,本章小结,本章从不同角度对缺陷分类，以便加强理解和记忆。对于缺陷的认识还没有完结，仍须通过其它课程的学习加以深化。在具体检测方法中，如何显现缺陷的形态，更要结合试验深入掌握。 最后，对常用的无损检测方法的适用性作出简要的总结。后续课程将会深入理解这一点。,本章思考题,1.工艺缺陷是如何分类的？ 2.工艺缺陷产生危害的本质是什麽？ 3.不同性质的工艺缺陷的危害性是否相同？试说明之。 4.常用的无损检测方法的适用
29、性如何?,3.1 超声波检测基础知识,3.1.1 超声波的物理本质它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。超声检测常用频率在 0.510 MHZ。,超声波是超声振动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。 可听声波：20-20000Hz，人耳可听到的声波范围； 次声波：低于20 Hz； 超声波：高于20000Hz。工业超声检测常用的工作频率为0.5-10MHz。较高的频率主要用于细晶材料和高灵敏度检测，较低的频率用于衰减较大和粗晶材料（1MHz以
30、下）。,超声检测的基础知识,一、超声波的特点,超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。 1、 方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。 2、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。,3、能量高 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。4、遇有界面时，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。 5、对人体无害。,二、超声波的分类,（一）描述超声波的基本物理量超声波的产生依赖于做高频机械振动
31、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。 1、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离；超声波的速度就是声音的速度,即声在空气(15)中的速度是340米/秒,只不过它们的频率不同而已 ；超声波在20 的钢中是5900米/秒;在铝中的传播速度为6300米/秒；混凝土中速度4000米/秒，玻璃。 2、频率f：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； 3、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；,4、周期T：声波向前传播一个波长距离时所需的时间； 5、角频率：其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。
32、上述各量之间的关系：,（二）超声波的分类超声波的分类方法很多，主要有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类；按波振面的形状分类；按振动的持续时间分类等。其中，按按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论。,超声波的分类,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(Longitudinalwave, L )。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。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
33、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。 声音在空气中的传播是纵波。固体介质可以承受拉压应力的作用，因此可以传播纵波，液体和气体虽不能承受拉应力，但在压应力作用下产生容积的变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。,2、横波(Transverse wave,T )。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。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
34、， 对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波。介质表面的质点作椭圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。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（Rayleigh wave），常用R表示。如采用表面波探伤只能发现工件的表面缺陷。,表面波（Surface wave）,连续波与脉冲波连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。,超
35、声波的几个概念超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。 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。,根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。 平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。 可以证明，球
36、面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。 当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。,3.2.1 描述超声场的物理量充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及的质点占据的范围叫超声场。为描述超声场，常用的物理量有：声压、声强、声阻抗、质点振动位移和质点振动速度。,3.2 超声场及介质的声参量简介,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,单位为帕，Pa，即,对于平面余弦波， 可以证明：,式中： 为介质的密度；c为介质中的声速；
37、为介质质点的振幅； 为介质质点振动的圆频率； 为质点振动速度的幅值；t为时间；x为质点距声源的距离， 为声压的极大值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值P与速度振幅成正比，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、 声强I在超声场的传播方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能叫声强，用I表示，单位W/cm2。以平面纵波在均匀的各向同性固体介质中传播时,有,由上式可知，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。,3、 分贝的概念以引起听觉的最弱声强I0=10-16W/c
38、m2为声强标准，在声学上称为“闻阈”，即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，用IL表示。声强级的单位为贝尔BeL，即,IL=lg(I/ I0) 贝尔（BeL）在实际应用过程中，贝尔这个单位太大，常用分贝（dB）作为声强级的单位。,在实际应用过程中，超声波的幅度或强度也用相同的方法即分贝表示，定义：,IL,分贝差,几个重要的dB值,目前市售的超声波探伤仪，其示波屏上波高与声压成正比，即任意两点的波高之比等于相应的声压之比，二者的分贝差若对二者取自然对数，则其单位为奈培NP：奈培与分贝的关系为：,实际检测时，常按此式
39、 计算超声波探伤仪示波 频上任意两个波高的分 贝差。,声波在介质中的传播是由其声学参量（声速、声阻抗、声衰减系数等）决定的，因此需要研究介质的声参量。1、声阻抗Z 超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点速度振幅V之比叫声阻抗Z，单位：g/(cm2.s)；kg/(cm2.s)。声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越小。实验证明，气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为1:3000:8000。,3.2.2 介质的声参量,物理学术语。关于介质声学特性的物理量。在超声诊断领域简称声阻抗。声波在介质中某点的有效声压与通过该点的有效质点速度的比值
40、。又可用介质的密度与声速的乘积来表示。声波经均质性介质时基本按直线持续传播；声波经两种介质时，其声阻抗差超过0.1%即产生声学界面，引起反射。脉冲反射式超声诊断仪显示的人体组织断面声像，实质上是人体组织中声阻抗差别的空间分布图。,2、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：声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速；群速度：在传播声波的包络面上，具有某种特性（如幅值最大）的点上，声波在传播方向上的
41、速度。群速度是波群的能量传播速度。非频散介质中，相速度等于群速度。,相速度随频率变化而变化的现象被称为频散。,（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。 同一固体介质中，纵波声速cL大于横波声速cs，横波声速cs又大于表面波声速cr。对于钢材，cL 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，具有频散特性。,几种不同波形的声速,（1）液
42、体中的声速：（2） 无限固体介质中的纵波声速：（3） 无限固体介质中的横波声速：,几种不同介质中的声速,K 液体的体积弹性模量，MPa； E固体的杨氏弹性模量， MPa ； G固体的剪切弹性模量， MPa 。,声速的一般表达式,3、 声衰减系数a超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减。在传声介质中，单位距离内某一频率下声波能量的衰减值叫做该频率下该介质的衰减系数a，单位为dB/m或dB/cm。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。 ,（1）扩散衰减：声波在介质中传播时，因波前在逐渐扩展
43、，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。它主要取决于波阵面的几何形状，与传播介质无关。平面波不存在扩散衰减，而球面波和柱面波有扩散衰减现象。（2）散射衰减：散射是由于物质的不均匀产生的，不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面，在这两种物质的界面上，将产生声波的反射、折射和波形转换现象，必然导致声能的降低。（3）吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦、热传导、引起的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。固体介质中，吸收衰减相对于散射衰减几乎可忽略不计，但对液体介质，吸收衰减是主要的衰减方式。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
44、不包括扩散衰减。,衰减方程,衰减系数：吸收衰减()和散射衰减s,介质的衰减程度与介质的晶粒尺寸、各向异性系数和超声波的频率有关。晶粒尺寸越大、各向异性越强、超声波频率越高，衰减越大。,3.3.1 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，不改变方向。但遇到异介质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，会产生反射和透射现象。,3.3 超声波在介质中的传播特性,超声波垂直入射于平界面的反射与透射,当超声波垂直入射到两种介质的界面时， 一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波(声强为It)， 波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向
45、传播，成为反射波(声强为Ir)。声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。,1、 单一界面,当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。,常见材料之间的界面反射系数,反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r，透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。r和t的数学表达式为：,式中： Z1、 Z2分别为两种介质的声阻抗。,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。,声波垂
46、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）一侧总声压等于另一侧总声压，否则界面会发生运动； （2）两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。上述超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。但在固液、固气界面上，横波将发生全反射，这是因为横波不能在液体和气体中传播。,2、 薄层界面在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。,超声波由声阻抗为Z1的第一介质入射到Z1和Z2的交界面，然后通过声阻抗为Z2
47、的第二介质薄层射到Z2和Z3的交界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质。当然在有三层介质时，很多情况是第一介质和第三介质为同一种介质（超声波检测即是这种情况）。,（1）当第一、三介质为同一介质时,由上两式可知：,即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，如薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。,超声波测厚,此时为全透射的情况。,3.3.2 超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面上会产生反射、折射和波型转换现象。入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。光的折射是由于光在不同介质的传播
48、速度不同而引起的。,1、反射 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 的反射纵波。 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= 。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 与纵波入射角之间的关系与光学中的斯涅耳定律相同， 为,斯涅耳定律 Snells Law(光的折射定律）：光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一个平面上，并且与界面法线的夹角满足如下关系： n1sin1 = n
49、2sin2 其中，n1和n2分别是两个介质的折射率，1和2分别是入射光（或折射光）与界面法线的夹角，叫做入射角和折射角。,若入射声波为横波，也会产生同样的现象，这时横波入射角S与横波反射角 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,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。折射角与入射角之间的关系符合斯涅耳定律。,
