1、第六章 無損檢測新技術(shù) 6. 0 概 述 與熱加工和新型材料關(guān)系較為密切的 無損檢測新技術(shù) 激光全息 (laser holographic) 聲振 (聲阻) acoustic vibration (acoustic impedance) 微波 (microwave) 聲發(fā)射 (acoustic emission),61 激光全息無損檢測 激光全息無損檢測 在全息照相技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種檢測技術(shù)。,611 激光全息檢測的特點與原理 6. 1. 1. 1 激光全息檢測的特點 檢測的靈敏度高激光干涉計量精度與波長同數(shù)量級； (2) 可檢驗大尺寸物體激光相干長度很大； (3) 對被檢對象沒有特殊

2、要求任何材料、任意粗糙的表面； (4) 可對缺陷進行定量分析借助干涉條紋數(shù)量和分布狀態(tài)。,6. 1. 1. 2 激光全息檢測的原理 原理光的干涉現(xiàn)象 光波中電場 E 的波動方程： 式中，A0：振幅， t ：相位 光的干涉 光波在空間疊加而形成明暗相間的穩(wěn)定分布。,干涉條件： 有相同的振動方向和固定的相位差； (2) 兩束光波在相遇處所產(chǎn)生的振幅差不大； (3) 兩束光波在相遇處的光程差不大。 激光全息照相檢測光路圖：,激光全息檢測 a. 對被檢測物體加載； b. 物體表面發(fā)生微小的位移(微差位移)； c. 物體表面的輪廓就發(fā)生變化； d. 全息圖上的條紋與未加載時相比發(fā) 生了移動。 建像時除了

3、顯示原來物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋，由條紋的間距可以算出物體表面的位移的大小。,當(dāng)物體內(nèi)部不含有缺陷時，條紋的形狀和間距的變化是宏觀的、連續(xù)的，與物體外形輪廓的變化同步。 當(dāng)被檢物體內(nèi)部含有缺陷時，在激光照射下進行建像時，所看到的波紋圖樣在對應(yīng)于有缺陷的局部區(qū)域就會出現(xiàn)不連續(xù)的、突然的形狀變化和間距變化。,612 激光全息檢測方法 6. 1. 2. 1 物體表面微差位移的觀察方法 激光全息無損檢測基本原理 物體內(nèi)部缺陷在外力作用下，使物體表面產(chǎn)生與其周圍不相同的微差位移。通過激光全息照相法進行比較，從而檢測物體內(nèi)部的缺陷。,觀察物體表面微差位移的三種方法： 1實時法 先拍攝不受力

4、時的全息圖；沖洗處理后，把全息圖精確地放回到原來拍攝位置上，用同樣參考光照射，則全息圖就再現(xiàn)出物體三維立體像 (虛像)，再現(xiàn)虛像完全重合在物體上。 缺點： (1) 需要附加機構(gòu)，以使全息圖位移不超過幾個光波波長； (2) 全息干版在沖洗過程中乳膠層要產(chǎn)生一些收縮，全息圖放回原位時，雖然物體沒有變形，但仍有少量位移干涉條紋出現(xiàn) ； (3) 顯示的干涉條紋圖樣不能長久保留。,2兩次曝光法 將物體在兩種不同受載情況下的物體表面光波攝制在同一張全息圖上；再現(xiàn)兩個光波疊加時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 3時間平均法 在物體振動時攝制全息圖；曝光時間物體振動循環(huán)周期，即在整個曝光時間內(nèi)，物體要能夠進行若干個周期的振動。

5、,6. 1. 2. 2 激光全息檢測的加載方法 激光全息照相缺陷檢測實質(zhì) 比較物體在不同受載 情況下的表面光波。 常用加載方式： 1內(nèi)部充氣法； 2表面真空法； 3熱加載法。,真空加載及其 光路示意圖,613 激光全息檢測的應(yīng)用 6. 1. 3. 1 蜂窩結(jié)構(gòu)檢測 加載方法：內(nèi)部充氣、加熱及表面真空等。 全息照相方法檢測蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，具有良好的重復(fù)性、再現(xiàn)性和靈敏度。,6. 1. 3. 2 復(fù)合材料檢測 新型復(fù)合材料 硼或碳高強度纖維本身粘接以及粘接到其它金屬基片上的材料。 纖維、纖維層之間及與基片之間脫粘或開裂，導(dǎo)致材料剛度下降，甚至導(dǎo)致材料損壞。全息照相可檢測出此類缺陷。,6. 1. 3.

6、 3 膠接結(jié)構(gòu)檢測 粘接技術(shù) 借助膠粘劑在固體表面上所產(chǎn)生的粘合力，將同種或不同種材料牢固地連接在一起的方法。 兩種主要的粘接形式： 1. 非結(jié)構(gòu)粘接 指表面粘涂、密封和功能性粘接，典型的非結(jié)構(gòu)膠包括表面粘接用膠粘劑、密封和導(dǎo)電膠粘劑等。 2. 結(jié)構(gòu)型粘接 將結(jié)構(gòu)單元用膠粘劑牢固地固定在一起的粘接現(xiàn)象。其中所用的結(jié)構(gòu)膠粘劑及其粘接點必須能傳遞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，在設(shè)計范圍內(nèi)不影響其結(jié)構(gòu)的完整性及對環(huán)境的適用性。,固體火箭發(fā)動機外殼、絕熱層、包覆層及推進劑藥柱 各界面之間要求無脫粘缺陷。 x射線檢測：只能檢測產(chǎn)品氣泡、夾雜物等缺陷。 超聲波檢測：在曲率較大的部位或棱角處無法 接觸而形成“死區(qū)”。 全息檢測

7、：能有效地克服上述兩種 檢測方法的缺點。,6. 1. 3. 4 藥柱質(zhì)量檢測 藥柱 具有一定幾何形狀和尺寸的安放于固體火箭發(fā)動機燃燒室中的固體推進劑。 通過加載使藥柱在對應(yīng)一氣孔或裂紋的表面產(chǎn)生變形，當(dāng)變形量達到激光器光波波長的 1/4 時，就可使干涉條紋圖樣發(fā)生畸變。,6. 1. 3. 5 印制電路板焊點檢測 加載方法：熱加載 有缺陷的焊點，其干涉條紋與正常焊點有明顯的區(qū)別；通過分析條紋的形成等判斷焊點的質(zhì)量。,6. 1. 3. 6 壓力容器檢測 焊縫和母材中的形成裂紋缺陷，使用中產(chǎn)生的疲勞裂紋。 采用激光全息照相注水加載法，能檢測出 3 mm 厚的不銹鋼容器中寬度為 5 mm，深度為 1.

8、5 mm 左右的環(huán)狀裂紋。,62 聲振檢測法 聲振檢測 激勵被測件產(chǎn)生機械振動，通過測量被測件振動的特征來判定其質(zhì)量。,621 檢測原理及方法 單一頻率情況下的機械振動基本方程： F 機械振動的驅(qū)動力； u 質(zhì)點的振動速度； Z 等效力阻抗。 M 等效質(zhì)量； C 等效柔順性； R等效損耗阻； i 電流； 圓頻率。 Z 的數(shù)值與膠接狀態(tài)密切相關(guān)； 通過測量 Z ，或在 F 一定時測量 u，就可對膠接質(zhì)量進行相對檢測。,聲阻檢測法 用電聲換能器激發(fā)樣品振動，當(dāng)反映 樣品振動特性的力阻抗有變化時，換 能器的某些特性也隨著變化。 換能器不同特性的測量方法：頻率法； 振幅法； 相位法。,621. 1 頻

9、率檢測法 對構(gòu)件施加一沖擊力，它將在其所有的振動形態(tài)下振蕩，為所有形態(tài)自然頻率和阻尼的函數(shù)。通過頻譜分析，可將構(gòu)件受沖擊產(chǎn)生的響應(yīng)時間記錄變換成相應(yīng)的頻譜，從而在頻譜中辨認被檢構(gòu)件的自然頻率。,例：纖維增強塑料中的損傷檢測,6212 局部激振法 局部激振 對被測結(jié)構(gòu)的一點或多點施加激勵，使其 發(fā)生振動，并對所有欲測的各點測量其結(jié) 構(gòu)的局部性能。,1單點激振法 (1) 振動熱圖法 對損傷的復(fù)合材料施加周期應(yīng)力時，在各種裂縫和邊緣之間會發(fā)生相對運動(阻尼)而產(chǎn)生熱量。 采用掃描紅外照像機或其他方式檢測周期應(yīng)力形成的局部溫升可以判斷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。 振動熱圖檢測適用于熱擴散率低的工件，以便有效地阻止損傷

10、區(qū)的熱量快速傳導(dǎo)，很少用于熱導(dǎo)率高的金屬。,(2) 振幅測量法 使構(gòu)件振動至諧振，構(gòu)件內(nèi)局部損傷使振動模態(tài)形式改變，通過觀察分析構(gòu)件振動的時間平均全息圖可發(fā)現(xiàn)構(gòu)件缺陷。 特點：可實現(xiàn)快速檢測； 一次能檢測的構(gòu)件面積較大； 須建立無振動的環(huán)境； 設(shè)備的價格較高。,2 多點激振法 在每一被測點施加激勵，并在同一點上測量輸入的力或振動的響應(yīng)。 特點：可用來測量膠接結(jié)構(gòu)的脫粘、分層和疊層構(gòu)件的氣孔以及蜂窩結(jié)構(gòu)中的“平面”狀缺陷。,622 聲振檢測的應(yīng)用 1. 蜂窩結(jié)構(gòu)檢測 2. 復(fù)合材料檢測 3. 膠結(jié)強度檢測,以CFRP為面板的 蜂窩壁板的檢測結(jié)果,63 微波無損檢測 微波 指頻率為 300 MHz

11、-300 GHz 的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在 1m（不含1m）到1mm 之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性微波量子的能量為 1.99l0 -25 1.9910-22 j,微波比其它電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。 由于微波能夠貫穿介電材料，能夠穿透聲衰減很大的非金屬材料，所以微波檢測技術(shù)在大多數(shù)非金屬和復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷檢測及各種非電量測量等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。,631 微波檢測的基本原理與特點 6311 微波檢測的特點 微波的特點 與

12、幾何光學(xué)相似；當(dāng)波長和工件尺寸同數(shù)量級時，又有與聲學(xué)相近的特性；波長短、頻帶寬、方向性好和貫穿介電材料能力強。 微波檢測的缺點 不能穿透金屬或?qū)щ娦阅茌^好的復(fù)合材料；由于趨膚效應(yīng)，不適于檢測上述材料的內(nèi)部缺陷；需要參考標準，操作人員需具備熟練的技能。,6312 微波檢測的基本原理 分析研究微波反射、透射、衍射、干涉、腔體微擾等物理特性的改變，以及微波作用于被檢測材料時的電磁特性 介電常數(shù)的損耗正切角的相對變化。 2. 測量微波基本參數(shù) （如微波幅度、頻率、相位等）的變化。,632 微波的檢測方法 6. 3. 2. 1 穿透法 1. 固定頻率連續(xù)波； 2. 可變頻率連續(xù)波； 3. 脈沖調(diào)制波。

13、將發(fā)射和接收天線分別放在試件的兩邊，從接收喇叭探頭取得的微波信號可以直接和微波源的微波信號比較幅值和相位。 用于檢測材料厚度、密度和固化程度。,6. 3. 2. 2 反射法 材料內(nèi)部或背面反射的微波隨材料內(nèi)部或表面狀態(tài)的變化而變化。 1. 連續(xù)波反射法； 2. 脈沖反射法； 3. 調(diào)頻波反射法。,6. 3. 2. 3 散射法 散射法 通過測試回波強度變化來確定散射特性。 檢測時微波經(jīng)過有缺陷的部位時被散射，因而使被接收到的微波信號比無缺陷部位要小，根據(jù)這些特性來判斷工件內(nèi)部是否存在缺陷。,633 微波檢測技術(shù)的應(yīng)用 1. 檢測增強塑料、陶瓷、樹脂、玻璃、橡膠、木材以及各種復(fù)合材料； 2. 檢測

14、各種膠接結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)件中的分層、脫粘、金屬加工工件表面粗糙度、裂紋等。 火箭用燒蝕噴管質(zhì)量檢測。 玻璃纖維增強塑料與橡膠包覆層之間的缺陷檢測。 雷達天線罩、火箭發(fā)動機殼體等工件的內(nèi)在質(zhì)量檢測。,64 聲發(fā)射檢測 641 聲發(fā)射現(xiàn)象的物理基礎(chǔ) 6411 聲發(fā)射現(xiàn)象及定義 聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，如彎曲樹枝會發(fā)出聲音，樹枝折斷時，聲音就更大。一般金屬產(chǎn)生塑性滑移變形時，發(fā)出的聲音很弱，我們聽不到。但錫片在彎曲時叮聽到噼啪聲，這是錫片受力產(chǎn)生孿生變形發(fā)出的聲音，稱為“錫嗚”。此外，電、磁和熱也能使物體發(fā)聲。如變壓器通電試驗時發(fā)出嗡嗡聲。金屬從高溫冷卻時也會發(fā)聲。這種材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形

15、或斷裂，或者構(gòu)件在受力狀態(tài)下以彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象，稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission)。由于不少金屬材料的塑性變形和斷裂的聲發(fā)射信號很微弱，人耳不能直按聽見，故需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來。用儀器檢測、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)最早應(yīng)用在地震探測方面。,6412 聲發(fā)射檢測的基本原理和特點 1聲發(fā)射檢測的基本原理 聲發(fā)射檢測的基本原理就是由外部條件(如力、熱、電、磁等)的作用而使物體發(fā)聲。根據(jù)物體的發(fā)聲推斷物體的狀態(tài)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。由物體發(fā)射出來的每一個聲信號都包含著反映物體內(nèi)部或缺陷性質(zhì)和狀態(tài)變化的信息。聲發(fā)射檢測就

16、是接收這些信號，加以處理、分析和研究，從而推斷材料內(nèi)部的狀態(tài)變化。,圖615,2聲發(fā)射檢測的特點 (1)聲發(fā)射是在材料或構(gòu)件的缺陷發(fā)生變化時產(chǎn)生的，所以它是一種動態(tài)無損檢測方法。 (2)聲發(fā)射檢測時不需移動探頭(傳感器)，操作簡便，靈敏度高。 (3)一般材料(除極少數(shù)材料外)當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化時都有聲發(fā)射現(xiàn)象，所以聲發(fā)射檢測幾乎不受材料的限制。 (4)由于材料的塑性變形是不可逆的，由塑性變形引起的聲發(fā)射也是不可逆的。第二次重復(fù)載荷當(dāng)超過第一次最大載荷時才產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象稱為聲發(fā)射的不可逆效應(yīng)。 (5)塑性變形和裂紋擴展均產(chǎn)生聲發(fā)射，在聲發(fā)射探測的頻率范圍內(nèi)還存在強的噪聲干擾。,6，41.3 聲

17、發(fā)射信號 1工程材料的聲發(fā)射源 工程材料中有許多因素都能成為聲發(fā)射源。金屬材料在外載荷下產(chǎn)生晶格的滑移變形和孿生變形等塑性變形時會發(fā)生聲發(fā)射。材料中裂紋的形成和擴展過程、不同相界面間發(fā)生斷裂以及復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷的形成也都能成為聲發(fā)射源。此外金屬的相變和磁疇運動過程都是聲發(fā)射源。,2聲發(fā)射信號的傳播 從聲發(fā)射源發(fā)出的聲信號以彈性波形式向四周傳播，經(jīng)過耦合劑從材料傳到傳感器變?yōu)殡娦盘?，由聲發(fā)射儀器接收并進行處理，最后將數(shù)據(jù)顯示出來。它的傳播過程如下： 聲發(fā)射源材料中轉(zhuǎn)播傳感器耦合界面?zhèn)鞲衅髀暟l(fā)射儀接受信號信號處理數(shù)據(jù)顯示。,3，聲發(fā)射信號的兩種基本類型 用示波器觀察經(jīng)放大后的傳感器輸出，可以看到

18、一種發(fā)射次數(shù)很多的連續(xù)波形，稱為連續(xù)型聲發(fā)射。連續(xù)型聲發(fā)射信號的幅度低，儀器測試系統(tǒng)的放大倍數(shù)要很高才能觀察到。當(dāng)脆性材料或帶裂紋的金屬材料在裂紋不連續(xù)擴展時，可以看到幅度高的單個應(yīng)力波脈沖，這就是突發(fā)型聲發(fā)射。與連續(xù)型聲發(fā)射相比，突發(fā)型聲發(fā)射發(fā)生的次數(shù)少、幅度大，發(fā)生的部位限制在某個區(qū)域，脈沖的形狀各不相同。圖618所示為這兩種類型的聲發(fā)射信號。,圖618,6414 聲發(fā)射信號的表征 1聲發(fā)射信號的波形 一般來說，由聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波，其縱波分量先到達換能器。用諧振式傳感器測得的聲發(fā)射信號的波形如圖619所示， 是諧振式傳感器獲得的最大電信號輸出幅度， 是達到最大輸出幅度的上升時間。由于衰

19、減，聲發(fā)射信號幅度逐漸減小。后面出現(xiàn)的小峰是這同一個聲發(fā)射信號的反射波或除縱波以外的其它模式的波。傳感器每振蕩一次輸出的一個脈沖稱為振鈴。,圖619,2聲發(fā)射的測量參數(shù) (1)事件計數(shù) (2)振鈴計數(shù) (3)幅度和幅度分布 1)累計事件幅度分布F(V) 2)微分事件幅度分布f(V) (4)能 量,3聲發(fā)射源定位 聲發(fā)射源定位就是根據(jù)傳感器接收到的聲發(fā)射信號來測定物體內(nèi)產(chǎn)生聲發(fā)射的裂紋位置。定位的根據(jù)是信號到達各個傳感器的時差和次序。 如在聲發(fā)射源周圍用三個傳感器接收聲發(fā)射信號，用測得信號的時差和聲波在材料中傳播速度的乘積，即可算出平面內(nèi)聲發(fā)射源的位置。,642 聲發(fā)射檢測儀器 6421 聲發(fā)射

20、儀器概述 聲發(fā)射儀器的作用主要有三個：接收聲發(fā)射信號；處理信號；顯示聲發(fā)射數(shù)據(jù)。按接收聲發(fā)射信號的通道數(shù)目，聲發(fā)射儀器分為三類，即單通道聲發(fā)射儀、雙通道聲發(fā)射儀和多通道聲發(fā)射儀。,642，2 聲發(fā)射傳感器 1單端傳感器 單端型壓電傳感器是傳感器中最簡單的結(jié)構(gòu)形式，如聲發(fā)射檢測中用得最多的由鋯鈦酸鉛(PZT5)壓電陶瓷制成的壓電縱波傳感器，如圖626所示。 2差動傳感器 差動傳感器可以消除電氣噪聲的干擾。它是用同一塊壓電陶瓷片對半切開后制成的。它的結(jié)構(gòu)如圖627所示。,圖626,圖627,642. 3 聲發(fā)射信號的放大及此理 1前置放大器 2濾波器 3主放大器 4信號處理器 5信號顯示,643 聲發(fā)射檢測的應(yīng)用 6431 聲發(fā)射在材料研究中的應(yīng)用 1塑性變形的聲發(fā)射 這種不均勻變形包括微觀的不均勻變形和宏觀的不均勻變形，其主要來源有三方面： (1)金屬屈服時的變形。 (2)晶粒的不均勻變形。 (3)有些合金施加的應(yīng)力超過屈服極限進入加工硬化階段，出現(xiàn)動態(tài)應(yīng)攣時效現(xiàn)象，使應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈鋸齒