无损检测导论-夏纪真2005年元月电子修订版

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1、1无损检测导论夏纪真 编著 原劳动部锅炉压力容器检测研究中心张泽丰主审 第一章第一章 无损检测的定义与目的无损检测的定义与目的 1.1 无损检测的定义无损检测的定义 无损检测技术是利用物质的某些物理性质因存在缺陷或组织结构上的差异使其物理量 发生变化这一现象，在不损伤被检物使用性能及形态的前提下，通过测量这些变化来了解 和评价被检测的材料、产品和设备构件的性质、状态、质量或内部结构等的一种特殊的检 测技术。 1.2 无损检测的目的无损检测的目的 无损检测的目的大体上可从三个主要方面来阐述。 1.2.1 质量管理质量管理 每一种产品均有其使用性能要求，这些要求通常在该产品的技术文件中规定，例如技

2、 术条件、技术规范、验收标准等，以一定的技术质量指标反映。 无损检测的主要目的之一，就是对非连续加工（例如多工序生产）或连续加工（例如 自动化生产流水线）的原材料、半成品、成品以及产品构件提供实时的工序质量控制，特 别是控制产品材料的冶金质量与生产工艺质量，例如缺陷情况、组织状态、涂镀层厚度监 控等等，同时，通过检测所了解到的质量信息又可反馈给设计与工艺部门，促使进一步改 进设计与制造工艺以提高产品质量，收到减少废品和返修品，从而降低制造成本、提高生 产效率的效果。 例如，某厂生产 45#钢球面管嘴模锻件，对锻件进行磁粉检测发现存在锻造折叠，使得锻 件报废或需要返修而成为次品，折叠出现率达到

3、3040%。通过改进模具设计和模锻前的 毛料荒形设计，以及改进模锻时摆放毛料的方式，使折叠出现率下降到 0%，杜绝了因为 折叠造成的废品和返修品出现，从而大大节约了原材料和能源消耗，节省了返修工时，明 显提高了生产效率。 又例如某厂用电弧炉冶炼 5CrNiMo 热作模具钢，对钢锭开坯锻制成模具毛坯，在投入 机械加工之前采用超声波检测，发现比率高达 48%存在白点缺陷而导致报废。经过改进冶 炼原材料的质量控制、增加炉料烘烤工艺以去除湿气，并且在钢锭开坯锻制成模具毛坯后 立即进行红装等温退火处理等一系列的工艺改进，杜绝了白点的产生，大大提高了钢材的 收得率，节约了冶炼与锻造的能源消耗并明显提高了生

4、产效率。 由此可见，在生产制造过程中采用无损检测技术，及时检出原始的和加工过程中出现 的各种缺陷并据此加以控制，防止不符合质量要求的原材料、半成品流入下道工序，避免 徒劳无功所导致的工时、人力、原材料以及能源的浪费，同时也促使设计和工艺方面的改 进，亦即避免出现最终产品的“质量不足”。 另一方面，利用无损检测技术也可以根据验收标准将材料、产品的质量水平控制在适 合使用性能要求的范围内，避免无限度地提高质量要求造成所谓的“质量过剩”。利用无损 检测技术还可以通过检测确定缺陷所处的位置，在不影响设计性能的前提下使用某些存在 缺陷的材料或半成品，例如缺陷处于加工余量之内，或者允许局部修磨或修补，或者

5、调整 加工工艺使缺陷位于将要加工去除的部位等等，从而可以提高材料的利用率，获得良好的 经济效益。 因此，无损检测技术在降低生产制造费用、提高材料利用率、提高生产效率，使产品同时 满足使用性能要求（质量水平）和经济效益的需求两方面都起着重要的作用。21.2.2 质量鉴定质量鉴定 已制成的产品（包括材料、零部件等）在投入使用或作进一步加工，或进行组装之前， 需要进行最终检验，亦即质量鉴定，确定其是否达到设计性能要求，能否安全使用，亦即 判别其是否合格，以免给以后的使用造成隐患。 例如，某厂从国外进口的 WNr2713 热作模具钢轧棒，未经无损检验即投入锻造加工， 结果出现大约 56%的锻件开裂报废

6、，经济损失很大，其原因是该批轧棒中存在严重的白点 缺陷。 又如某厂使用 5CrNiMo 热作模具钢制成的三吨模锻锤用整体模，在三吨模锻锤上锻制 铝合金锻件，仅生产了数十件锻件，模具即开裂报废，按模具的正常设计寿命应能至少生 产数千件，其原因是该模具存在严重的过热粗晶。 又如某汽车制造厂从国外进口的汽车发动机曲轴，在装配前发现曲轴轴颈部位存在若 干肉眼可见的白斑，经涡流检测确认属于曲轴轴颈表面的氮化层剥落，从而避免了装配后 因轴颈快速磨损甚至卡死造成发动机事故，而且通过索赔挽回了可能造成的经济损失。 在许多的产品和制件中，由于例如叶片出现裂纹、齿轮含有夹渣等造成航空发动机试 车以及飞行过程中发生

7、损坏，以及类似的因为零部件质量低劣而在后续使用中早期破损甚 至酿成灾难性事故的例子和教训是很多的，这里不予赘述。 因此，产品使用前的质量验收鉴定是非常必要的，特别是那些将在高应力、高温、高 循环载荷等复杂恶劣条件下以及恶劣环境中工作的零部件或构件等，仅仅靠一般的外观检 查、尺寸检查、破坏性抽检等是远远不够的，在这方面，无损检测技术表现出能够百分之 百地全面检查材料内外部的无比优越性。 1.2.3 在役检测在役检测 使用无损检测技术对运行期间或正在运行中的设备构件进行经常性的或者定期的检查， 或者实时监控（称为在役检测） ，能及时发现影响设备继续安全运行或使用的隐患，防止事 故的发生。例如疲劳损

8、伤，或者产品中原有的微小缺陷在使用过程中扩展成为危险性缺陷 等等。特别是对于重要的大型设备，例如锅炉、压力容器、核反应堆、飞机、铁路车辆、 铁轨、桥梁建筑、水坝、电力设备、输送管道.等等，防患于未然，更有着不可忽视的重 要意义。 定期或不定期在役无损检测的目的并不仅仅是尽早发现和确认危害设备安全运行及使用的 隐患并予以及时清除，从经济意义上来说，当今对无损检测技术还要求在发现早期缺陷 （例如初始疲劳裂纹）后，通过无损检测技术定期或实时（连续）监视其发展，对所探测 到的缺陷能够确定其类型、尺寸、位置、形状与取向等，根据断裂力学理论和损伤容限设 计、耐久性等对设备构件的状态、能否继续使用、安全使用

9、的极限寿命或者剩余寿命做出 评估和判断。 综上所述，无损检测技术不仅是产品设计制造过程和最终成品静态质量控制的极重要手段， 而且是保障产品安全使用与运行的动态质量控制几乎是唯一的手段。因此，可以说无损检 测的必要性贯穿于设计、制造和运行全过程中的各个环节，其目的可以一言以蔽之，即是 为了最安全、最经济地生产和使用产品。 必须明确的是，尽管无损检测技术在生产设计、制造工艺和质量管理、质量鉴定与控 制、经济成本、生产效率等方面都显示了极其重要的作用，但是无损检测技术本身对具体 某项产品而言，似乎并未直接增加什么内容，即不是所谓的“成形技术”。对产品所期待的 使用性能和质量只能在产品制造中达到而不可

10、能在产品检测中达到。无损检测技术的根本 作用只是保证产品的质量或使用性能符合预期的目标，但是它是一种经济效益好的、保证 产品质量的、高科技的检测技术。 无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用的物理3现象。迄今为止，包括在工业领域已获得实际应用的和已在实验室阶段获得成功的无损检 测方法已达五、六十种甚至更多，随着工业生产与科学技术的发展，还将会出现更多的无 损检测方法与种类。本书仅能就几个主要方面作简单扼要的介绍。除了对于工业上已经广 泛应用的五大常规无损检测技术（超声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测和射线照 相检测）给予一定的工艺介绍外，对其他方法仅作概念性介

11、绍。若需对其中某项方法作深 入了解时，应查阅相应方法的专业技术介绍资料。 第二章第二章 无损检测技术及其应用简介无损检测技术及其应用简介 2.1 利用声学特性的无损检测技术利用声学特性的无损检测技术 2.1.1 超声波检测技术超声波检测技术 什么是超声波？超声波有什么特性？ 声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为 16Hz2KHz。当声波的频率低于 16Hz 时就叫做次声波，高于 2KHz 则称为超声波。一般把频率在 2KHz 到 25MHz 范围的 声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应 力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械

12、振动的弹性介质（实际 上包括了几乎所有的气体、液体和固体） ，它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用超 声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的 变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛的 一种重要的无损检测技术-超声检测技术。例如用于医疗上的超声诊断（如 B 超） 、海洋学 中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺 陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体 介质特性分析、密度测定等等。 超声波具有如下特性： 1）超声波可在气体、液体、固体、固

13、熔体等介质中有效传播。 2）超声波可传递很强的能量。 3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强 烈的冲击（基于“空化现象”）-从而引出了“功率超声应用“技术-例如“超声波清洗”、 “超声 波钻孔” 、 “超声波去毛刺” （统称“超声波加工”）等。 5）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。 工业无损检测技术中应用的超声波检测（Ultrasonic Testing，简称 UT）是无损检测技 术中发展最快、应用最广泛的无损检测技术，占有非常重要的地位。 在超声波检测技术中用以产生和接

14、收超声波的方法最主要利用的是某些晶体的压电效 应，即压电晶体（例如石英晶体、钛酸钡及锆钛酸铅等压电陶瓷）在外力作用下发生变形 时，将有电极化现象产生，即其电荷分布将发生变化（正压电效应） ，反之，当向压电晶体 施加电荷时，压电晶体将会发生应变，亦即弹性变形（逆压电效应） 。因此，利用压电晶体 制成超声波换能器（探头） ，对其输入高频电脉冲，则探头将以相同频率产生超声波发射到 被检物体中去，在接收超声波时，探头则产生相同频率的高频电信号用于检测显示。 除了利用压电效应以外，在某些情况下也利用磁致伸缩效应（强磁材料在磁化时会发 生变形的现象，可用作振源或用于应变测量） ，也有利用电动力学方法（例如

15、本章后面叙述 的电磁-声或涡流-声方法） 。 超声波在弹性介质中传播时，视介质支点的振动型式与超声波传播方向的关系，可以 把超声波分为以下几种波型：（1）纵波）纵波（Longitudional Wave，简称 L 波，又称作压缩波、疏密波）-纵波的特点是传声4介质的质点振动方向与超声波的传播方向相同（见右图所示）纵波 （2）横波）横波（Shear Wave，简称 S 波，又称作 Transverse wave，简称 T 波，也称为切变波或 剪切波）-横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直，并且视质点振 动平面与超声波传播方向的关系又分为垂直偏振横波（SV 波，这是工业超声检测

16、中最常应 用的横波）和水平偏振横波（SH 波，也称为 Love Wave-乐甫波，实际上就是地震波的震 动模式） （见下左图所示）横波 乐甫波瑞利波 （3）表面波）表面波（Surface Wave）-在工业超声检测中应用的表面波主要是指超声波沿介质表面 传递，而传声介质的质点沿椭圆形轨迹振动的瑞利波（Rayleigh Wave，简称 R 波，如左图 所示） ，瑞利波在介质上的有效透入深度只有一个波长的范围，因此只能用于检查介质表面 的缺陷，不能像纵波与横波那样深入介质内部传播，从而可以检查介质内部的缺陷。此外， 水平偏振横波（SH 波，也称为 Love Wave-乐甫波）也是一种沿表面层传播的表面波，实 际上就是地震波的振动模式，不过目前在工业超声检测中尚未获得实际应用。 （4）兰姆波）兰姆波（Lamb Wave）-这是一种由纵波与横波叠加合成，以特定频率被封闭在特定 有限空间时产生的制导波（guide Wave） 。在工业超声检测中，主要利用兰姆波来检测厚度 与波长相当的薄金属板材，因此也称为板波（Plate Wave，简称 P 波）