如何通过分析频谱图来检测材料内部裂纹

常用的无损检测方法有以下几种：磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、射线检测等。裂纹易于产生的应力集中部位，如叶片进水边正面（压力分布面）靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片出水边背面靠近上冠处、叶片与下环连接区等部位，由于透照布置比较困难，不能用射线透照法进行无损探伤。根据水轮机转轮叶片表面比较粗糙、结构复杂和厚度变化大的特点，一般应采用渗透、磁粉、超声波的方法进行无损检测。 　　3.1 超声波检测 　　超声波探伤方法对裂纹、未熔合等面积型缺陷的检出率较高，适宜检验较大厚度的工件，但是对于铸钢、奥氏体不锈钢材，由于粗大晶粒的晶界会反射声波，在屏幕上出现大量的“草状波”，容易与缺陷波混淆，影响检测可靠性，限制了超声波探伤方法在铸钢制水轮机转轮叶片上无损检测的应用。探测频率越高，杂波就越显着，为了减小晶界反射波的影响，我们采用了低频探头（2MHz）对铸钢转轮进行超声波探伤，发现反射信号以后再用高频探头（4MHz）进行定量，实践证明这是可行的。 　　3.2 渗透探伤 　　渗透探伤方法简单易行，显示直观，适合于大型和不规则工件的检查和现场检修检查。但是，渗透探伤方法是利用渗透能力强的彩色渗透液渗入到裂纹等缺陷的缝隙中，再利用吸附能力强的白色显像剂，将渗透液吸出来以显示缺陷的，因此，只能检查表面开口的缺陷。 　　3.3 磁粉探伤 　　磁粉探伤方法是利用工件磁化后，在材料中的不连续部位（包括缺陷造成的不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性），磁力线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面形成漏磁场，这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积，从而显示缺陷。因此，磁粉探伤适用于铁磁材料探伤，可以检出表面和近表面缺陷，但是有些部位由于难以磁化而无法探伤。 第五种射线探伤法（RT），能比较直观地对缺陷定性和定量，底片可长期保存。此方法已广泛应用于锅炉压力容器压力管道的检验。但对于微裂纹检测，却受到微裂纹本身取向及其宽度和深度的影响，加之透照、暗室处理等诸多环节因素，其过程处理稍有不当，结果将事倍功半，检测灵敏度降低，甚至无法检出。 3裂纹检测的主要方法 3．1磁粉法 此法是利用高磁导率的磁粉细粒，在进入由于裂纹而引起的漏磁场时，就会被吸住留下，从而形成磁痕。由于漏磁场比裂纹宽，故积聚的磁粉用肉眼容易看出。其应用非常简单，直接检测表面裂纹，特点是显示直观、操作简单，它是Z常用的方法之一。但磁粉检测也存在如下问题：无法检测应力集中，而应力集中往往会引起疲劳裂纹。检测时必须对被检工件磁化，而形状复杂的承载部件磁化时有一定的难度。为了清晰的显示磁痕，检测前，必须对被检件表面进行表面处理，即清理检测区域影响磁痕显示的油漆和腻子等，这不仅大大的增加了检测成本、检测时间，而且打磨过程本身会使被检工件形成新的缺陷。检测时速度慢，无法对整个承载部件全面检查，只能在目测的基础上ZD检测一些部位，使得检测存在一定的隐患。检测结果受人为因素影响，降低了检测的准确度及可靠性。检测后为了不影响构件的性能，往往要求对检测件进行退磁，这也增加了检测成本。目前主要应用于汽车零部件等的探伤。 3．2渗透法 　 渗透法是利用毛细现象来进行探伤的方法。对于表面光滑而清洁的零部件，用一种有色或带有荧光的、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观察的微裂纹，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。放置片刻后，由于裂纹很窄，毛细现象作用显著，原渗透到裂纹内的渗透液将上升到表面并扩散，在衬底上显出较粗的线条，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，由毛细现象上升到表面的液体，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，故常常又将此时的渗透探伤直接称为荧光探伤。此探伤方法也可用于金属和非金属表面探伤。其使用的探伤液剂有较大气味，常有一定毒性。渗透法对表面开口裂纹检测灵敏度很高，但对表面有涂层的工件不佳； 3．3超声法 超声波检测采用高频率、高定向声波来测量材料的厚度、发现隐藏的内部裂纹，分析诸如金属、塑料、复合材料、陶瓷、橡胶以及玻璃等材料的特性。超声波仪器使用人耳听力极限之外的频率，向被检测材料内发射短脉冲声能，而后仪器监测和分析经过反射或透射的声波信号来获取检测结果。 超声导波方法可细分为接触式检测方法、非接触式检测方法，其作用机理为当超声入射至被测工件时，产生反射波，根据反射波的时间及形状来判断工件的裂纹。这种检测方法有时会产生盲区，发生阻塞现象，不能发现近距离裂纹。它常用于管道内壁的裂纹检测，能较为精确的判断出裂纹位置、周向开口裂纹长度、管壁减薄程度及裂纹截面积。 表面波对于表面上的复层油污不光洁等反应敏感，并被大量衰减。利用表面波测定裂纹深度有2种方法： （1）表面波入射到上表面开口裂纹时，会产生一个反射回波，其波高与裂纹深度有关，当裂纹深度较小时，波高随裂纹深度增加而升高，这种方法只适用于测试深度较小的表面裂纹。当裂纹深度超过2倍波长时，测试误差较大。 （2）利用表面波在裂纹开口处和处产生的2个反射回波及回波前沿所对应的一起水平刻度差值来确定裂纹深度，此法适用于深度较大的裂纹。裂纹深度太小，裂纹表面过于粗糙会导致测试误差增加。如果裂纹中充满了油和水，误差会更大。 相控阵检测是一种特殊的超声检测技术。它使用复杂的多晶片阵列探头及功能强大的软件来操控高频声束，使其通过被检测材料，并显示保真（或几何校正）的回波图像。所生成的材料内部结构的图像类似于医用超声波图像。对诸如关键金属结构、管道焊接、航空航天复合材料等的检测，相控阵技术所提供的附加信息是非常有价值的。 目前激光超声技术、超声红外热成像技术等的发展为超声技术在裂纹检测方面的应用提供了有益的启示。 3．4漏磁法 所谓漏磁检测是指，铁磁材料被磁化达到磁饱和后，其表面和近表面缺陷与空气边界出现磁导率跃变，裂纹及附近的磁阻会增加，裂纹附近的磁场会因此发生畸变而形成漏磁通，通过检测漏磁场即可确定铁磁性金属结构上的应力和变形集中区，进而发现缺陷的非破坏检测技术。从整个检测过程来说，漏磁检测可以分为以下几个部份： 测试系统是基于金属磁记忆效应原理检测铁磁管件裂纹，诊断评估其应力状态和集中区域，为及时处理或更换管件提供科学依据。铁磁体在形变和微弱地球磁场的作用下产生磁记忆现象的内部原因取决于铁磁晶体的微观结构特点，是由于磁弹性作用的结果。 漏磁场检测方法是由传感器获取信号，计算机判断有无缺陷，可以从根本上解决人为因素的影响，具有较高的检测可靠性，也易于实现自动化，检测效率很高。在一定条件下，漏磁通信号的峰值和表面裂纹的深度有很好的线性关系。因此这种方法不仅可以检测裂纹的方位，还可对裂纹的危险程度作进一步判断，这是实现非破坏评价的基础。但这种检测方法也有一定的局限性。和磁粉检测一样它只适合于铁磁材料的表面检测，而且检测灵敏度较低，检测得到的信号相对简单，只能给出裂纹的初步量化，不适合检测形状复杂的试件 实际工业生产中，漏磁检验方法被大量应用于钢铍、钢棒、钢管的自动化检测。特别值得指出的是，漏磁场检测是地埋输油管线等Z主要的检测方法，采用漏磁技术的“管道猪”可在地下管道中爬行300km。在管道的检查中，在厚度高达30mm的壁厚范围内，可同时检测内外壁缺陷。该技术也应用于火炮、飞机、、弹药、铁道机车、石油等应用领域。 3．5红外线法 红外检测常用于高温或低温承压设备内部保温层状态的检测与评价，而热弹性红外检测技术适用于各种特种设备高应力集中和疲劳损伤部位的检测;许多高温特种设备内部有一层珍珠岩保温材料，若其出现裂纹或部分脱落，壳体会出现超温运行，引起材料的热损伤，采用常规红外热成像技术即可发现该局部超温现象。特种设备上的高应力集中部位在大量疲劳载荷的作用下，出现的早期疲劳损伤会显示在热斑迹图像上。红外无损检测技术是一种非接触式的检测技术，远距离空间分辨率高、安全可靠对人体无害、灵敏度高、检测范围广、速度快，对被测物体没有任何影响。 3．6涡流法 涡流法检测是利用电磁感应原理实现的。电涡流传感器的线圈作为振荡电路中谐振回路的一个电感元件，加电工作时在线圈里会产生高频振荡电流。而传感器接近试件表面时，线圈周围的高频磁场在金属表面和内层感应出高频电流，即涡流。而涡流产生的损耗及反磁通又通过耦合反射到传感器的线圈中去，当传感器在试件表面移动时遇到裂纹处或裂纹深度宽度有变化时，涡流磁场对线圈的反射作用不同，线圈等效阻抗电感量也不同，进而影响回路的谐振频率和幅频特性，分析处理这种变化就可判断试件有无裂纹或裂纹深浅宽窄。 涡流技术对表面开口裂纹很灵敏，可以在不去除表面涂层的情况下方便可靠地检测出金属材料的表面和近表面裂纹。其特点是检测速度快、裂纹灵敏度高、适用方便，缺点是不能准确区分裂纹性质、受干扰因素多、不确定性大。它可分为单频和多频涡流检测技术，单频涡流检测只能显示涡流信号的幅值变化，不能YZ，不能区别提离、抖动等干扰信号，定性、定量均有一定困难。多频涡流检测技术的发展对上述问题做了较好的解决，多频涡流检测就是用几种不同频率同时激励探头，具有阻抗平面图形相位显示和纹幅值显示功能。根据不同频率激励信号所取得的测量结果，通过实时矢量相加减和处理，YZ不需要的干扰信号，具有去伪存真的功能，阻抗分析能在检测中分离出探头摆动信号和提离信号等的干扰。常规涡流方法只适用于检测表面光滑母材上的裂纹，对焊缝上的裂纹检测会因焊缝在高温熔合时产生的铁磁性变化和表面高低不平而出现杂乱无序的磁干扰而无法实施。只有基于复平面分析的金属材料焊缝电磁涡流检测技术，采用特殊的点式探头(电流扰动磁敏探头)检测焊缝的表面裂纹才可以允许焊缝表面较为粗糙或带有一定厚度的防腐层。 脉冲涡流检测方法是一种新近发展的技术。按照傅立叶变换，一个脉冲信号可以展开为无限多个谐波分量之和，因而，具有较宽的频谱。当用脉冲电流作激励信号进行涡流检测试验时，蕴含着丰富的被测信息。而且，激励的脉冲特性使涡流在金属中存在一个很高的峰值，易于观察和测量；能够进行传统涡流检测所不能进行的瞬态分析。 目前工程上能检测出在0.3～0.4mm 涂层下Z小裂纹深度为0.5～2mm 的裂纹。