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第3章伤损检测基础知识3.1常用无损探伤方法无损检测(Non・destructive Testing,简称NDT)是指在不破坏被检物体的 前提下，借助于各种物理手段，对材料或构件进行缺陷检测、几何特性测量、化 学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就材料或构件对特定应用的适 用性做出评价的一门学科无损探伤是无损检测中的一个重要组成部分，是以发 现材料和构件中非连续性宏观缺陷即裂纹、夹杂、气孔等为主要目的无损探伤的方法种类很多，但在实际应用中较普遍的为超声波探伤、射线探 伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤这五种常规方法，除此之外，还有红外监测、 激光全息摄影、微波探伤、同位素射线示踪等非常规探伤技术由于超声波探伤 是钢轨伤损检测的基础，本书将在以后几个章节重点介绍，以下针对其它几种常 规探伤做简要介绍311射线探伤(RT, P4)射线探伤是利用射线的穿透性和直线超声波探伤仪特性来探伤的方法这些 射线可使照相底片感光，也可用特殊的接收器来接收依物体材料、缺陷和穿透 距离的不同，射线强度将产生不同程度的衰减由此可见，射线探伤对气孔、夹 渣、未焊透等体积型缺陷最敏感，不易发现裂纹即射线探伤适宜用于体积型缺 陷探伤，而不适宜面积型缺陷探伤，如图3-1射线探伤原理。

—5图3-1射线探伤原理1-射线源；2-工件；3-缺陷；4-嵌有胶片的暗盒；5-暗室处理后的底片及缺陷 显不3・1・2磁粉探伤(MT, P4)磁粉探伤是建立在漏磁原理基础上的一种磁力探伤方法当磁力线穿过铁磁 材料及其制品时，在磁性不连续处将产牛漏磁场，形成磁极此时撒上干磁粉或 浇上磁悬液，磁极就会吸附磁粉，产生用肉眼能直接观察的明显磁痕磁粉探伤 法可探测露出表而，用肉眼或借助于放大镜也不能直接观察到的微小缺陷，也可 探测未露出表面，而是埋藏在表面下几毫米的近表面缺陷用这种方法虽然也能 探查气孔、夹杂、未焊透等体积型缺陷，但对面积型缺陷更灵敏，更适于检查因 淬火、轧制、锻造、铸造、焊接、电镀、磨削、疲劳等引起的裂纹，如图3-2磁粉探伤原理a)工件通以电源:(b)工件处于磁场中1-缺陷；2-工件；3-磁化电流；4-磁化磁场3・3・3、渗透探伤(PT, P5)对于表面光滑而清洁的零部件，用一种带色(常为红色)或带有荧光的、渗 透性很强的液体，涂覆于待探零部件的表面若表面有肉眼不能直接察知的微裂 纹，由于该液体的渗透性很强，它将沿着裂纹渗透到其根部然后将表面的渗透 液洗去，再涂上对比度较大的显示液(常为白色)。

放置片刻后，由于裂纹很窄, 毛细现象作用显著，渗透到裂纹内的渗透液将上升到表面并扩散，在口色的衬底 上显出较粗的红线，从而显示出裂纹露于表面的形状，因此，常称为着色探伤 若渗透液采用的是带荧光的液体，由毛细现彖上升到表面的液体，则会在紫外灯 照射下发出荧光，从而更能显示出裂纹露于表面的形状，故常常乂将此时的渗透 探伤直接称为荧光探伤，如图3・3渗透探伤原理5 7 911图3-3渗透探伤原理1 ■油污；2■缺陷;3•预清洗;4•渗透剂；5■渗透;6•清洗剂;7•清洗；8■显像剂; 9 ■显像:10-紫外线灯；11-检查3.3.4.涡流探伤（ET, P5）当一个通有交流电的激励线圈靠近某一试件（导体）时，由于电磁感应 作用，进入试件的交变磁场可在试件中感牛出方向与激励磁场相垂直的、 呈漩涡状流动的电流（涡流），此涡流会转而产生与激励磁场方向相反的磁 场使原磁场有部分减少，从而引起线圈阻抗的变化在保持激励条件不变 的情况下，通过对线圈阻抗变化的测量，或通过对另一附加的可感受磁场 变化的专用探测线圈电参量变化的测量，就可得知试件中产生的涡流状况, 从而获悉与试件有关的一些参量，如有无缺陷及形状和尺寸的变化等。

因 此，从试件上取得的信息以表面上的为最多，而对内部检测来说，则缺陷 越深，检测越难，如图3・4涡流探伤原理Hp ]图3・4涡流探伤原理1 •线圈磁场；2■涡流3.2超声波探伤的物理基础3.2.1超声波的概念可以认为物体是由以弹性力保持平衡的各个质点所构成的，这种弹性体的简 化模型如图3・5弹性体的模型当某一质点受到外力的作用后，该质点就在其平 衡位置附近振动由于一切质点都是彼此联系着的，振动质点的能量就能够传递 给周围的质点而引起周围质点的振动机械振动在介质中的传播过程称为机械 波；机械振动在上述弹性体中的传播称为弹性波(即声波)一一它是一种重要的 机械波图3・5弹性体的模型a■质点；b-表不弹性的弹簧由此可见，声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次 要有传播振动的弹性介质此外，当振动传播时振动的质点并不随波而移走，只 是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波是完全不同的如果以频率/来表征声波，并以人的可感觉频率为分界线，则可把声波划分为次声波(f Y 20Hz),可闻声波(20Hz

振动持续时间有限(单个或间发)时所形成的波动，则称脉冲波322、超声波的基本参数3.2.2.1振幅(A)：指振动质点偏离平衡位置的最大距离图3-7图3-63.2.2.2 频率（V ）质点单位时间（通常指1秒，以下同）内围绕平衡位置完成全振动的次数称 为振动频率其数值与波动频率相等所谓波动频率是指波动过程中任一给定质 点在单位时间内通过完整波的个数单位为Hz超声波探伤中使用的频率有两T为探伤仪发射超声波的周期，相对应的是仪器的重复频率F F=1/TF是仪器性能指标，其高低由仪器电路决定t为仪器发射的超声波的振荡周期，相对应的是超声波的频率f f=1/tf在通用探伤仪上是可选的，其高低由所选的换能器决定322.3 周期（t）指振动质点完成一次全振动所需要的时间单位为秒（S）由定义不难得 知：t=1/f3・2・2・4波长（X）同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，波源或介质中 任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离单位为毫米（mm）, 米（m）波长越短分辨力就越高3.225 声速（C）声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离也可称为波速单位为米/ 秒（m/s）或千米/秒（km/s）。

由声速、波长和频率的定义可得：C=X/ 或 x=c/f 在材料选定后（超声波传播的介质），C为常数323超声波的特性用于探伤的超声波频率范围为0.2〜25MH乙 其中最常用的频段为0.5〜 10MH乙 钢轨探伤仪使用的频率为2MH乙为了充分认识超声测量作用，有必要了解其相关的特性1、 声速特性超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播，其速度受介质 温度、压力等因素的影响，但在相同外部环境下，超声波在同一介质中的传播速 度是一个常数这是所有超声波仪器进行测量的基础2、 传播特性超声波在同一介质中具有匀速直线传播的特性，运用该特性我们可以对缺陷 进行精确定位3、 反射特性超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质密度不同，因而在两 种介质的分界面上，其传播方向会发牛改变：其中一部分折射入另一种介质，另 一部分被反射回来超声波在传播途中遇界质界面将发生声波的反射、折射和波 形转换，利用反射特性我们可以实现对缺陷的检测（工件中的缺陷即为异质界 而），利用折射和波形转换特性，我们可以选择进入探测对象内超声波的波形和 角度，以适应对不同工件，不同缺陷的检测需要当超声波以气体传播到固体或液体时，由于两种介质密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。

4、 衰减特性超声波在传播过程中，由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会 产牛衰减不论是超声波流量计还是超声波物位计，对所接受的声波强度都有一 定要求，所以都要对各种衰减进行抑制5、 波束效应（指向性）由于超声波具有很好的波束效应，声波能力集中，传播距离大，穿透能力强, 同时探伤人员可以通过选择不同直径和频率的探头来选择探头扩散角，以适应不 同的探伤需要3・2・4超声场的特征量介质中有超声波存在的区域称为超声场，可用声压、声强、声特性阻抗来描 述1声压在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时 该点的静压强之差称为声压，声压的单位是帕斯卡（Pa）声压是个交变量，可 写成R）=〃COS^ + 0）在实用上，比较两个超声波并不需要对每个时间t进行比 较，只需用其幅度做比较通常就把声压幅度简称声压，用符号p表示2声强在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位时间内所通过的声能量称为声 强度，简称声强（或声的能流密度）对于简谐波，常将一周期中能流密度的平2均值作为声强，并用符号/表示/=上一（式中P为介质密度，C为介质中声速, 2/x*P为声压）3声特性阻抗由P = pcu可知，在同一声压卩的情况下，pc越大，质点振动速度U越小， 反之，0、越小，质点振动速度/越大，所以把〃称为介质的声特性阻抗，以符Z 号表示。

声特性阻抗能直接表示介质的声学性质，在超声检测领域内所采用的许多方 程式中经常岀现介质密度与声速的相乘积而不是其中某个值，因此常将〃作为 一个独立的概念来理解4声压和声强的分贝表示由于声压的变化范围非常大，数量级可以相差很多，用通常数字表示和运算 很不方便，并且人耳对声音响度的感觉近似地与声强的对数成正比，于是采用对 数来表示这一关系，即贝耳一二个声波声强之比的常用对数值贝耳数=Io亦人(贝耳)12分贝数=1 Ologg 厶(dB) = 201ogIO 厶(dB)Z2 P23.3超声波探伤方法及基本原理超声波探伤方法可以从多个角度进行分类，按探伤原理不同，可分为共振法, 穿透法，脉冲反射法以下简述这几种方法的原理及应用特点3.3.1共振法根据超声波在工件中产牛共振的状况进行检测的方法，如(P16)广泛用于 对脉冲反射法不能探测的薄板厚度测定其原理是当试件的厚度为超声波的半波 长度或半波长度的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同而引起共振，仪器 可显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差计算出工件厚度，则d =——-——2伉-几频%\g讥V；波长 1/2 1 11 2nfl式中:d为工件厚度,C为被检工件的声速，fn为第n点的共振频率。

图3・9共振法测厚示意图3.3.2穿透法它是最早采用的超声波探伤方法，也叫透射法其原理是一个探头发射的超声波透过整个工件被另一个探头接收，根据超声波在工件中的能量变化来判断缺陷或工件质量穿透法的工作原理及缺陷显示方法，如图3-10o图3-10穿透法探伤原理（a）无缺陷 （b）有小缺陷 （c）有大缺陷穿透法的优点：工作中不存在探测盲区，超声波传播中衰减小，判断缺陷方法简 单，适用于连续的自动化探伤缺点是：探伤灵敏度低，分辩率差，不能确定缺 陷位置，一般需要专用的探头夹持装置3.3.3脉冲反射法钢轨探伤检测系统主要由探头、超声收发装置、探头伺服控制系统、探伤 数据采集系统、损伤分析系统、耦合液喷淋系统、主控计算机以及外设等组成 如图3-11探伤系统原理图图3-11探伤系统原理探头里装有超声换能器，通过超声发射电路使换能器按一定频率发射超声 波探伤时，耦合液喷淋装置在探头和钢轨之间喷洒耦合液，保证探头与钢轨耦 合良好，使超声波束大部分能量能传入。