钢结构超声检测第一、二、三章

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1、1,1,钢结构无损检测,廖绍怀,华中科技大学土木工程与力学学院,2013年04月,2,第一篇 无损检测概论 一、 无损检测的定义 无损检测技术(Non-Destructive Testing,简称NDT) 是第 二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的、多学科综合应用的工程科学。此项技术是在不改变及损伤被检对象的 各种性能(其中包括物理性能、化学性能、几何形状、表面状态等)的前提下，采用多种适用的方法对被检对象进行检测，以确定其质量，即确定该被检对象的实际使用 性能是否能满足事先设计的需要，以及确定其某些特性，如几何尺寸、所使用的材料、表面状况、均匀性、密度等。,3,二 金属探伤五种无损检测方法

2、,4,三、无损检测五大常规手段的应用范围及性能对比,5,金属探伤五种无损检测方法性能对比（续）,6,四、常用无损检测方法的识别界限,7,五、射线检测、超声检测对不同类型清晰的检出能力,8,无损检测人员的级别分为： 级(初级)-培训4周，通过理论考试、实际操作考试，取得证书后能进行检测，但不能编写检测报告(不负责检测结果的评定)。 级(中级) -培训4周，通过理论考试、实际操作考试，取得证书后既能进行检测，又能编写检测报告。 级(高级) -培训2周，通过理论(含专门技术、通用技术)考试、编制工艺考试，能检测、编写检测报告还能解释标准、规范。 证书有效期: 4年 (5年),六、无损检测人员的资质,

3、9,10,10,第二篇 超声波检测,第一章 超声波检测的物理基础,11,一、振动 1、振动的一般概念 1）定义：物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。 2）例子： 直接觉察弹簧振子、钟摆和汽缸中活塞运动。 难以觉察固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动。 3）描述： （1）周期T振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用T表示。常用单位为秒(s)。 （2）频率f振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用f表示。常用单位为赫兹(Hz)。,第一节 振动与波动,12,2、谐振动 1）定义：最简单最基本的直线振动称为谐振动。 2）

4、特点： （1）回复力大小与位移成正比，方向总指向平衡位置。 （2）振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率。 （3）物体做谐振动时，只有弹性力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒的条件，因此谐振物体的能量遵守机械能守恒。在平衡位置时动能最大势能为零，在位移最大位置时势能最大动能为零，其总能量保持不变。 3）谐振动方程,13,3、阻尼振动 1）定义：振幅或能量随时间不断减少的振动。 2）特点：振幅不断减少，而周期却不变。阻尼振动受到阻力作用，不符合机械能守恒。,14,4、受迫振动 1）定义：物体受周期性变化的外力作用时产生的振动。 2）特点：受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状

5、态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同，振幅保持不变。受迫振动物体受到策动力作用，不符合机械能守恒。 3）共振：受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率P与受迫振动物体固有频率w。相同时，受迫振动的振幅达最大值。这种现象称为共振。 4）共振在超声的应用：设计探头中的压电晶片时，应使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率；从而产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。,15,二、波动 1、机械波和电磁波 机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波是机械波。 电磁波：电磁振荡在空间的传播过程。X射线属于电磁波. 产生机械波必须具备两个条件： a.要有作机械振动的波源； b

6、.要有能传播机械 波的弹性介质。 波动的机理可以用物 质的弹性模型来说明。,16,弹性介质是由弹性力相联系的质点组成的。当一个质点受到外力作用时，该质点便围绕其平衡位置往复振动。由于质点间以弹性力相联系，该质点的振动会引起相邻质点的振动，而相邻质点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就由近及远地传播开去。 波动与振动是相互关联的，振动是波动的根源，波动是振动形式和振动能量的传播。这种传播是通过质点的连续位移变化来实现的，质点并不发生迁移。,17,2、波长、频率和波速 1）波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，用表示。常用单位为毫米(mm)或米(m)。 2）频率f：波动中，任一点在

7、1秒内所通过的完整波个数。波动频率在数值上同振动频率，单位为赫兹(HZ)。 3）波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离，用C表示。常用单位为米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。 4）三者关系： C=f或=C/f 由上式可知，波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。,18,例题1:已知钢中的纵波声速为5900m/s，横波声速为3230 m/s。试求2.5MHz的声波在钢中的纵波和横波波长。 解:,19,3、波动方程 波动方程描述波线各质点在任一时刻的位移情况。,20,三、声波、超声波和次声波 1、次声波、声波和超声波的划分

8、相同点：次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。 不同点：频率 声波f=20Hz20000Hz,能引起听觉。 次声波f20Hz的机械波。 超声波f20000 Hz的机械波。,21,2、超声波的应用 超声探伤所用的频率一般在0.5-10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为15 MHz。 (1)超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射。 (2)越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能量(声强)与频率平方成正比。 (3)能在界面上产生反射、折射和波型转换；

9、在超声波探伤中。 (4)超声波穿透能力强：超声波传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强。,22,3、次声波的应用 次声波的频率很低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小、距离远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，例如地震、火箭起飞等。次声波近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。,23,(一)、根据质点的振动方向分类 1、纵波L（压缩波、疏密波） 质点振动方向与波的传播方向相互平行的波。 纵波传播时，质点受交变拉伸应力作用，质点之间发生相应伸缩形变，质点疏密相间。 纵波可在固体、气体和液体中传播。 固体介质能承受拉伸或压缩应力,因此固体介质可以传播纵波;液体和气体虽不能承受拉伸和压缩应力,

10、但能承受压应力产生的容积变化,因此液体和气体也能传播纵波.,第二节 波的类型,24,2、横波S（T）（切变波） 1）介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波。 2）特点：当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波。 3）传播介质：固体介质 液体和气体不能承受剪切应力,所以不能传播横波.,25,3、表面波R（瑞利） 1）定义：当介质表面受到拉伸和交变应力作用时，产生沿固体表面传播的波。 2）特点：表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。表面波的能量随传

11、播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。 3）传播介质：固体表面传播。,26,27,4、板波 在板厚与波长相当的薄板中传播的波称为板波。 （1）SH波：水平偏振的横波在薄板中的传播。质点振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向。,28,（2）、兰姆波 、对称型兰姆波（S型）： 薄板中心层质点作纵向振动，上下表 面质点作椭圆振动，相位相反并对称于中心。 、非对称型兰姆波（A型）： 薄板中心质点作 垂直振动，上下 表面质点作椭圆 振动，相位相同 不对称。,29,30,二、按波的形状分类 1、有关概念：

12、1）波的形状(波形)是指波阵面的形状。 2）波阵面：同一时刻， 介质中振动相位相同的所有质点 所联成的面称为波阵面。 3）波前：某一时刻，波动所到达 的空间各点所联成的面称为波前。 4）波线：波的传播方向称为波线。,31,1)、平面波：波阵面为平面的波。 波源为一平面。各质点振幅为常数，不随距离而变化。波动方程为：,2、分类：平面波、柱面波和球面波。,2）柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。 柱面波的波源为一直线，其波束向四周扩散，各质点的振幅与离波源距离的平方根成反比。波动方程：,32,3）球面波：波阵面为同心球面的波称为球面波。 球面波的波源为一点，其波束向四面八方扩散。各质点的振幅

13、与离波源的距离成反比。 波动方程：,33,三、按振动的持续时间分类 1、连续波 波源持续不断地振动所辐射的波。超声波穿透法探伤常采用连续波。 2、脉冲波:波源振动持续时间很短(通常是微秒数量级，1微秒=10-6秒)，间歇辐射的波。目前超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。,34,一、固体介质中的纵波、横波与表面波声速 1、固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但它们的声速是不相同的。此外介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，无限大介质与细长棒中的声速也不一样。 2、无限大固体介质中的声速 1）在无限大的固体介质中（无限大固体介质是相对于波长而言的，当介质的尺寸远大于波长时，就可以视为无

14、限大介质。）,第三节 超声波的传播速度,35,由上三式可知： （1）固体介质的声速与介质的密度和弹性模量等有关，不同介质声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，声速愈大。 （2）声速还与波型有关，在同一介质中，纵波、横波、表面波的声速各不相同。它们之间的关系是： CLCSCR 在钢中：CL：CS：CR1.8：1：0.9 2、细长棒（棒径d）中的声速 在细长棒中轴向传播的纵波声速与无限大介质中纵波声速不同，细长棒中的纵波声速为：,36,3、声速与温度、应力、均匀性的关系 1）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。 2）固体介质的应力状况对声速有一定的影响，一般应力增加，声速增加，但增加缓慢。 3

15、）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含量和尺寸增加，声速减少。,37,3、声速与温度、应力和组织均匀性关系 （1）一般固体介质中的声速随温度升高而降低； （2）介质中应力增加，声速增加，但增加缓慢； （3）晶粒细，声速大，晶粒粗，声速小。（铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含量和尺寸增加，声速减少。） 二、板波

16、的声速 板波传播时受上下板面的影响，所以其声速不仅与介质有关，而且与板厚和频率有关。 板波的相速度：指单一频率的声波在介质中的传播速度。 板波的群速度：指多个频率相近的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线传播速度。,38,二、板波声速 1、由于板波传播时受到上下板面的影响，因此板波声速与纵波、横波、表面波不同，它不仅与介质性质有关，而且与板厚、频率等有关。只有当板厚、频率、声速之间满足一定关系时，板波才能顺利传播。 2、板波声速分为相速度和群速度。 1）相速度是指单一频率的声波在介质中的传播速度。 2）群速度是指多个相差不多的频率的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线的传播速度。 3、板波声速Cp与fd、CS、CL有关。 4、实际探伤中，若是频率单一的连续波，那么板波声速就是相速度；若是脉冲波，那么板波声速就是群速度。,39,40