【正文】 培訓(xùn)教材之理論基礎(chǔ)第一章 無(wú)損檢測(cè)概述無(wú)損檢測(cè)包括射線檢測(cè)（RT）、超聲檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）、滲透檢測(cè)（PT）和渦流檢測(cè)（ET）等五種檢測(cè)方法。主要應(yīng)用于金屬材料制造的機(jī)械、器件等的原材料、零部件和焊縫，也可用于玻璃等其它制品。 射線檢測(cè)適用于碳素鋼、低合金鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金材料制機(jī)械、器件等的焊縫及鋼管對(duì)接環(huán)縫。射線對(duì)人體不利，應(yīng)盡量避免射線的直接照射和散射線的影響。 超聲檢測(cè)系指用A型脈沖反射超聲波探傷儀檢測(cè)缺陷，適用于金屬制品原材料、零部件和焊縫的超聲檢測(cè)以及超聲測(cè)厚。磁粉檢測(cè)適用于鐵磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的檢測(cè)，包括干磁粉、濕磁粉、熒光和非熒光磁粉檢測(cè)方法。滲透檢測(cè)適用于金屬制品及其零部件表面開口缺陷的檢測(cè)，包括熒光和著色滲透檢測(cè)。渦流檢測(cè)適用于管材檢測(cè)，如圓形無(wú)縫鋼管及焊接鋼管、鋁及鋁合金拉薄壁管等。磁粉、滲透和渦流統(tǒng)稱為表面檢測(cè)。 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第一節(jié) 基本知識(shí)超聲波是一種機(jī)械波，機(jī)械振動(dòng)與波動(dòng)是超聲波探傷的物理基礎(chǔ)。物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)的傳播過(guò)程，稱為波動(dòng)。波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類。機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。超聲波就是一種機(jī)械波。機(jī)械波主要參數(shù)有波長(zhǎng)、頻率和波速。波長(zhǎng)l：同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離稱為波長(zhǎng)，波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)的距離，常用單位為米(m)；頻率f：波動(dòng)過(guò)程中，任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完整波的個(gè)數(shù)稱為頻率 ，常用單位為赫茲(Hz)；波速C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速，常用單位為米/秒（m/s）。由上述定義可得：C=l f ，即波長(zhǎng)與波速成正比，與頻率成反比；當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。它們的區(qū)別在主要在于頻率不同。頻率在20~20000Hz之間的能引起人們聽覺的機(jī)械波稱為聲波，頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。次聲波、超聲波不可聞。~10MHz之間，對(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為1~5MHz。超聲波波長(zhǎng)很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用于無(wú)損探傷。1. 方向性好：超聲波是頻率很高、波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，在無(wú)損探傷中使用的波長(zhǎng)為毫米級(jí)；超聲波象光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射，易于在被檢材料中發(fā)現(xiàn)缺陷。2. 能量高：由于能量（聲強(qiáng)）與頻率平方成正比，因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于一般聲波的能量。3. 能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換：超聲波具有幾何聲學(xué)的上一些特點(diǎn)，如在介質(zhì)中直線傳播，遇界面產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等。4. 穿透能力強(qiáng)：超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。第二節(jié) 波的類型及波速測(cè)量一．波的類型根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的不同，可將波動(dòng)分為縱波、橫波、表面波和板波等。1. 縱波L介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示。當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波；凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)能承受位伸或壓縮應(yīng)力；液體和氣體雖不能承受拉伸應(yīng)力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生容積變化。因此固體、液體和氣體都能傳播縱波。鋼中縱波聲速一般為5960m/s?？v波一般應(yīng)用于鋼板、鍛件探傷。2. 橫波S(T)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用S或T表示。當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生剪切形變，從而形成橫波；只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)不能承受剪切應(yīng)力，因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。鋼中橫波聲速一般為3230m/s。橫波一般應(yīng)用于焊縫、鋼管探傷。3. 表面波R當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用R表示。又稱瑞利波。表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向；橢圓運(yùn)動(dòng)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波與橫波的合成，因此表面波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。表面波的能量隨深度增加而迅速減弱，當(dāng)傳播深度超過(guò)兩倍波長(zhǎng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了，因此，一般認(rèn)為表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)深度內(nèi)的缺陷。表面波一般應(yīng)用于鋼管探傷。4. 板波在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。板波一般應(yīng)用于薄板、薄壁鋼管探傷。二．超聲波聲速測(cè)量對(duì)探傷人員來(lái)說(shuō)，用探傷儀測(cè)量聲速是最簡(jiǎn)便的，用這種方法測(cè)聲速，可用單探頭反射法或雙探頭穿透法；可用于測(cè)縱波聲速和橫波聲速。1. 反射法測(cè)縱波聲速聲速按下式計(jì)算：聲速 C=2d/(T1t)； t = 2T1 – T2式中 d 工件厚度；t 由探頭晶片至工件表面?zhèn)鬏敃r(shí)間；T1 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時(shí)間；T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時(shí)間；2. 穿透法測(cè)縱波聲速聲速按下式計(jì)算：聲速 C=d/(T1t)； t = 2T1 – T2式中 d 工件厚度；t 由探頭晶片至工件表面?zhèn)鬏敃r(shí)間；T1 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時(shí)間；T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時(shí)間；3. 反射法測(cè)橫波聲速用半圓弧測(cè)橫波聲速，按下式計(jì)算：聲速 C=2d/(T1t)； t = 2T1 – T2式中 d 半圓半徑長(zhǎng)度；t 由探頭晶片至半圓弧探測(cè)面?zhèn)鬏敃r(shí)間；T1 由探頭晶片至圓弧面一次波傳輸時(shí)間；T2 由探頭晶片至圓弧面二次波傳輸時(shí)間；第三節(jié) 波的若干概念一． 波的迭加與干涉1. 波的迭加原理當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起的位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒(méi)有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實(shí)觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個(gè)石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后的傳播情況。又如樂(lè)隊(duì)合奏或幾個(gè)人談話，人們可以分辨出各種樂(lè)器或各人的聲音，這些都可以說(shuō)明波傳播的獨(dú)立性。2. 波的干涉兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。波的迭加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動(dòng)的重要特征。在超聲波探傷中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。二． 惠更斯原理和波的衍射如前所述，波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。（繞射）波在傳播過(guò)程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過(guò)障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。如右圖，超聲波（波長(zhǎng)為l）在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到缺陷AB（其尺寸為D），據(jù)惠更斯原理，缺陷邊緣可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播改變，從而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低。 當(dāng)Dl時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢；當(dāng)Dl時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。 波的繞射對(duì)探傷即有利又不利。由于波的繞射，使超聲波產(chǎn)生晶料繞射順利地在介質(zhì)中傳播，這對(duì)探傷有利；但同時(shí)由于波的繞射，使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢，這對(duì)探傷不利。一般超聲波探傷靈敏度約為l/2。三． 超聲場(chǎng)的特征值充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場(chǎng)；超聲場(chǎng)具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場(chǎng)的特征植（即物理量）主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)P1與沒(méi)有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差，稱為該點(diǎn)的聲壓，用P表示（P = P1 P0）。聲壓幅值 p = rcu = rc(2pfA)其中 r介質(zhì)的密度。c波速。u質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度；A聲壓最大幅值；f頻率。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、波速和頻率成正比。在超聲波探傷儀上，屏幕上顯示的波高與聲壓成正比。超聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓p與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度u之比稱為聲阻抗，常用Z表示。Z = p / u = rcu / u = rc 由上