材料的结构检测超声波检测方法.ppt

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1、第4讲 材料的结构检测,材 料 概 论,李 阳,东北大学2006 年 11 月,第4讲 材料的结构检测,4.1 光学显微镜、定量金相分析技术4.2 X射线衍射分析4.3 扫描电镜、透射电镜分析4.4 表面成分分析4.5 电子显微技术的新进展4.6 差热分析4.7 超声波检测,4.7 超声波检测方法,超声波检测的物理基础 超声波发射声场与规则放射体的回波声压 仪器、探头和试块 超声波探伤方法和通用探伤技术,（一）超声波检测的物理基础,物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作住复周期性的运动，称为机械振动。某质点在介质内振动能激发附近质点的振动。振动在弹性介质内的传播过程，称为波。声波是一种在气体、

2、液体、固体中传播的弹性波。它分为次声波、可闻声波、超声波及特超声波，其频率界限如图。,一、超声波的一般概念,1机械振动与机械波,第4讲 材料的结构检测,第4讲 材料的结构检测,（1）超声波方向性好。在材料检测中，使用超声波的频率为毫米数量级。它可以像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找所需物品一样在材料中发现缺陷。（2）超声波能量高。超声波的频率远高于声波，而声强与频率的平方成正比，因此超声波的能量远大于声波的能量。（3）穿透力强。超声波在大多数材料中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在金属材料中穿透能力可达数米。在一些非金属材料、复合材料中

3、穿透能力也可达一米，这是其它检测方法无法比拟的。（4）能在异质界面产生反射、折射和波形转换。在超声波检测中，遇到材料的异变界面，超声波要产生反射、折射和波形转换。,特点,第4讲 材料的结构检测,（1）纵波 L：质点振动方向和传播方向一致的波，称纵波，它能在固体、液体、气体中传播。,2超声波的波形,第4讲 材料的结构检测,（2）横波 S：质点振动方向垂直于传播方向的波，称横波，它只能在固体中传播。,第4讲 材料的结构检测,（3）表面波R：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波。它是瑞利1887年首光提出来的，因此表面波又称瑞利波。,表面波在介质表面传播时，介质表面质点作

4、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，即纵波和横波的合成，因此表面波只能在固体介质中传播，且表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。,第4讲 材料的结构检测,（4）板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，称为板波。按介质质点振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。SH波：SH波是水平偏振的横波在薄板中传播。薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面的横波。兰姆波：兰姆波又分为对称型(S型)和非对称则(A型)。对称(S型)兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动，振动相位相反、并对

5、称于中心。非对称(A型)兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动，相位相同，不对称。,第4讲 材料的结构检测,3超声波的传播速度,（1）气体和液体中的声速,第4讲 材料的结构检测,（2）固体中的声速,第4讲 材料的结构检测,二、超声场的特征量,1声压 p,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 p p1 p0 对于平面波，它的波动方程可以证明,第4讲 材料的结构检测,2声阻抗 Z,介质中某一点的声压 p 与该处质点振动速度 V 之比称为声阻抗，用 Z 表示,声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用

6、。同一声压下，Z 越大，质点的振动速度越小。不同的介质有不同的阻抗，同一介质 p 传播速度不同，阻抗也不同。同时，温度对阻抗也有一定的影响。,第4讲 材料的结构检测,单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用 I 表示。,3声强 I,平面波声强,超声场中，声强与声压平方成正比，与频率平方成正比。由于超波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波可以用于检测的重要依据。,第4讲 材料的结构检测,通常规定引起听觉的最弱声强 I0=10-16 W/cm2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。某一声强 I 与标准声强 I0 之比 I/I0，取常用对数得

7、到二者相差的数量级，称为声强级，用 L1 表示。,4.分贝,第4讲 材料的结构检测,三、超声波垂直入射到异质界面上的反射和透射,当超声波垂直人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人射方向相同的透射波，如图。反射波与透射波的声压(或声强)是按一定规律分配的。这分配关系用反射率和透射率来表示。界面的声压反射率，记为,1平界面,第4讲 材料的结构检测,界面的声压透射率,声强反射率,声强透射率,第4讲 材料的结构检测,第4讲 材料的结构检测,2薄层界面,（1）当 Z1=Z3 Z2，对均匀介质中的异质薄层,第4讲 材料的结构检测,（2）当 Z1

8、 Z3 Z2，对非均匀介质中的异质薄层,第4讲 材料的结构检测,四、超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射,1波型转换和反射、折射定律,当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波和折射波以外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，此现象称为波型转换。波型转换现象只发生在斜入射的界面，而且与界面两侧介质的状态有关。由于液体、气体介质中只能传播纵波，只有固体介质才能传播纵波和横波，波型转换只可能在固体中发生，如图。,第4讲 材料的结构检测,第4讲 材料的结构检测,超声波倾斜入射到异质界面时，反射波和折射波的传播方向由反射、折射定律来确定,利用反射、折射定律可以求得纵波倾斜入射时

9、，横波反射角 S 与纵波入射角 L 的关系为,同理可求得纵波倾斜入射时，纵波折射角 L 和横波折射角 S 同纵波入射角 L 的关系,第4讲 材料的结构检测,2临界角,第4讲 材料的结构检测,（二）超声波发射声场与规则放射体的回波声压,一、纵波发射声场,1.波源轴线上的声压分布,第4讲 材料的结构检测,声源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大极小值。距声源的距离越近，声压极大极小值的点就越密。声学上把由子波的干涉在声源附近的轴线上产生一系列极大极小值的区域称为超声场的近场区，即菲涅耳区。声源轴线上最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度，用N表示。,近场区存在声压极大极小值，可能引起误

10、判，超声波检测中尽量避免在近场区定量。,第4讲 材料的结构检测,x N 的区域称为远场区，又称夫琅和费区。在远场区中，轴线上的声压随距离的增加而单调减少。超声波探头定向辐射超声波的性质称为波的指向性。波束指向性的优劣常用半扩散角 0 来表示。它是指定向辐射的锥角之半，即波束轴线与边缘之间的夹角，如图。,超声波的能量主要集中在 20 以内的锥形区域内，此区域称为主波束，主波束边缘声压为零。副声束出现在波源附近，它的能量低，传播距离短。圆晶片辐射的声波束半扩散角为,第4讲 材料的结构检测,2.矩形声波源辐射的纵波声场,长为 a，宽为 b 的矩形声波源作活塞振动，当 x3N 时，波束轴线上的声压为,

11、第4讲 材料的结构检测,二、规则形状反射体的回波声压,目前应用超声波技术检测材料内部缺陷，是根据缺陷的反射回波的高低确定缺陷大小的。实际检测中，由于使用A型检测仪及缺陷性质、表面状况、几何形状等多种复杂因素影响无法真实检测缺陷的大小。因此，常常用“当量尺寸”表示缺陷的大小。在相同的检测条件下，如果缺陷反射回波声压与某种人工反射体回波声压相同，两者反射波高相等，则规则反射体的尺寸即为缺陷的当量尺寸。常用的规则反射体有平底孔、长横孔、球孔、大平底等。通常计算之前作一些理想假定。,第4讲 材料的结构检测,在 x3N 时，由圆盘声源轴线上的球面波声压公式得平底孔表面入射波声压为,1平底孔(圆片形缺陷)

12、的回波声压,平底孔回波声压为,平底孔 1 和2 两回波波高的分贝差为,第4讲 材料的结构检测,2长横孔(圆柱形)的回波声压,第4讲 材料的结构检测,3球孔(球形缺陷)的回波声压,第4讲 材料的结构检测,4大平底回波声压,第4讲 材料的结构检测,三、AVG曲线,描述反射体至波源的距离，反射信号的幅度(习惯用仪器增益值表示)、反射面积当量大小三者之间相互关系曲线称为AVG曲线，又称为距离波幅当量曲线。AVG是德文距离(Absband)、增益(Versbtarkung)、大小(Gre)三者的字头。A代表反射体至波源的距离，V代表反射体回波信号幅度，G代表反射体的当量大小。AVG曲线比较直观地反映了各

13、类反射体回波波高与反射距离当量大小之间的变化规律。利用AVG 曲线来调整探伤灵敏度和对缺陷定量是比较方便的。,第4讲 材料的结构检测,通用AVG曲线,第4讲 材料的结构检测,平底孔实用AVG曲线,第4讲 材料的结构检测,（三）仪器、探头和试块,超声波检测仪是超声波检测的主要设备，它的作用是产生电振荡并加于换能器探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定的方式显示出来，从而得到被检材料内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。由于检测对象、检测目的、检测场合、检测速度等方面的要求不同，因而有各种不同的检测仪。,一、超声波检测仪,第4讲 材料的结构检测,A型显示是一种波形显示，检

14、测仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间(或距离)，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估计缺陷的大小。,1.A型显示检测仪,第4讲 材料的结构检测,2.B型显示检测仪,B型显示是一种图像显示。检测仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫描轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距离)。因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。,第4讲 材料的结构检测,3.C型显示检测仪,C型显示也是一种图像显示，检测仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而，当探头在工件表面移动时，

15、荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图像(即从探头方向看的投影)，但不能显示缺陷的深度。,第4讲 材料的结构检测,二、探头,超声波检测中，超声波的产生和接收过程是一种能量转换过程，这种转换是通过探头实现的，探头的作用就是将电能转换为声能(产生超声波)和将超声能转换为电能。将能量从一种形式转换为另一种形式的器件称为换能器。探头是一种电-声-电能量转换器件。因此，探头也称为超声换能器或电声换能器。超声波检测中，由于被测材料的材质、形状不同，检测目的、条件的不同，而使用不同的探头。主要有直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头、双晶探头、水浸探头、聚焦探头，还有为检测特殊目的所用的扫描切换探头、列阵

16、探头、轮式探头、扁平探头等。,第4讲 材料的结构检测,1直探头,第4讲 材料的结构检测,2斜探头,第4讲 材料的结构检测,三、试块,1试块的种类,超声波检测中使用的试块，根据使用目的和要求，其形式和种类是多种多样的，对这些试块按不同方式可以进行不同的分类。标准试块是由权威机关规定的试块。它的材质、形状和尺寸以及表面状态都是由权威部门作了统一的规定，作为该机构的标准试块，如国际焊接学会标准试块 IIW，IIW2 等。标准试块主要用于测试和校验检测仪和探头性能，也可用于调整检测范围和确定检测灵敏度。,第4讲 材料的结构检测,2试块的用途,(1)测试和校验检测仪及探头的性能，如组合灵敏度、垂直线性、

17、水平线性、盲区、分辨力等。(2)确定和校验检测灵敏度。(3)评价缺陷大小，对被测工件评级和判废。(4)调节检测范围，确定缺陷位置。(5)测量材质衰减和确定耦合补偿。,第4讲 材料的结构检测,（四）超声波探伤方法和通用探伤技术,一、超声波检测方法概述,共振法反射法穿透法,液浸法直接接触法,垂直探伤法斜角探伤法,第4讲 材料的结构检测,1.共振法探伤,若声波(频率可调的连续波)在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长或半波长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，则引起共振，因而仪器可显示出共振频率点，由相邻的两个共振频率之差算出试件的厚度。当试件内存在缺陷时，将改变试件的共振频率。共振法

18、常用于测厚。,第4讲 材料的结构检测,穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。,2.穿透法探伤,第4讲 材料的结构检测,反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。,3.反射法探伤,第4讲 材料的结构检测,频脉冲发生器产生的脉冲(发射波)加在探头

19、上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超声波以一定的速度向工件内部传播。,一部分超声波遇到缺陷F时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B，也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。,发射波f、缺陷波F及底波经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线(时间基准)，其长度与时间成正比。,由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。,当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。,超声波探伤/测距/测物,t,A,二、超声波检测的应用,第4讲 材料的结构检测,输油管检测检测机器人,第4讲 材料的结构检测,倒车雷达,第4讲 材料的结构检测,鱼群探测器,第4讲 材料的结构检测,肝脏B超,心脏B超,第4讲 材料的结构检测,