陶瓷微裂纹检验方法Word文件下载.docx
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特殊构件还规定非接触性检测等。
这些促使产生了无损检测新技术,如超声显微镜技术、激光超声及超声成象检测技术等。
在先进工程陶瓷材料检测方面,超声检测仍是一种国内外应用最广泛、发展较快无损检测技术。
其发展经历了超声波无损探伤(NDI)、超声波无损检测(NDT)、和超声无损评价(NDE)三个阶段。
在国外,工业发达国家无损检测技术已逐渐从NDI和NDT向NDE过渡。
当前无损检测发展是从普通无损评价向自动无损评价和定量无损评价发展(即从NDE向ANDE和QNDE发展)。
[2]采用计算机进行检测和分析数据,这将减少人为因素影响,提高检测可靠性。
当前,国外采用人工智能、激光等技术与无损检测技术有机结合以实现复杂形面复合构件超声扫描成像检测,将当代数字信号解决与人工神经网络技术用于超声检测。
超声与断裂力学知识相结合,对材料构件强度与剩余寿命进行评估等方面很有发展前景。
[3]
2先进工程陶瓷材料无损检测技术
2·
1陶瓷材料无损检测详细目的
陶瓷材料无损检测详细目的是检出对性能不利裂纹、气孔、结块、夹杂等缺陷。
它难度在于需要检测缺陷极其微小,普通比金属或复合材料小l一2个数量级。
典型构造陶瓷,为防止材料迅速破坏,需检出6o一600um缺陷;
对于缓慢裂纹生长需预测寿命,要检出20—200um缺陷;
为提高韧性而控制材料组织,必要检出lO一50um缺陷;
为对精密部件控制制造工艺,则需检出l一30um缺陷。
有些学者以为细晶陶瓷(如热压氮化硅)临界尺寸小至25um如下;
而粗晶陶瓷(如反映烧结氮化硅)要高某些,可以是5O~lO0um。
[4]
*基金项目:
国家自然科学基金资助项目(50475114);
天津市科技发展筹划项目支持
作者简介:
程应科(1974-),男,研究生,研究方向为机械制造及自动化。
2陶瓷无损检测办法
近年来,用于陶瓷无损检测办法有:
表面浸透检测(荧光法、着色法),x射线层析成像、红外热成像、超声A扫描及c扫描、声发射、微焦点x射线、超声显微镜等。
其中最惯用办法是超声检测。
2·
3超声检测原理和应用
超声检测原理是当超声波进入物体遇到缺陷时,一某些声波会产生反射,发射和接受器可对反射波进行分析,就能异常精准地测出缺陷来。
使用它可以显示内部缺陷位置和大小,测定材料厚度等,可鉴别密度差别、弹性模量、厚度等特性和几何形状变化方面。
[6]
超声检测重要是应用超声波声速和衰减这2个参量来获得关于材料微观组织和力学性能信息。
声速可用于测定厚度、裂纹位置和体积、残留应力(应变)。
超声波衰减测量则可极其敏捷地批示出因材料微观组织变化而引起内部损耗。
为了检出当代陶瓷中微小缺陷,惯用水浸探伤法和聚焦型探头。
缺陷检出能力与所用超声波频率关于。
频率越高,波束越细,缺陷检出能力就越强。
但频率越高,超声波衰减也越严重。
依照散射理论,超声波有也许检出尺寸为波长1.8%缺陷。
Reynolds等证明25MHz聚焦探头能发现碳化硅陶瓷中直径为100um空穴,而此时超声波波长约400um。
这些暗示了较低频率超声渡检测陶瓷可行性。
黎润民等用对氮化硅陶瓷进行了检测,检出了距表面7mmD0.05mm钨丝。
在陶瓷气孔率检测中,Kunerth等使用了直探头和聚焦探头(超声波频率为100MHz,波长约为120um),研究了碳化硅陶瓷中微米数量级直径气孔对常规纵波背散射。
结论是单个气孔散射普通极小,并不能检测到.但可检测到群气孔散射。
高频超声因有大衰碱和设备昂贵,因此低频超声检测陶瓷倍受关注.[4]
Nagara和Panakkal等发现氧化锆陶瓷中声速和气孔率(或密度)是线性关系。
Klima发当前氮化硅和碳化硅陶瓷中,声速和密度呈线性关系,微观组织如晶粒尺寸、晶粒形状、空穴尺寸及分布对声速影响很小.然而对高频超声波衰减影响却很大.因而测量衰减更能有效地评价材料微观组织和力学性能。
Roth等用半经验模型解释了多晶材料中声速和气孔率经验线性关系,推测材料晶粒尺寸、密度、气孔率等组织特性和力学性能。
在陶瓷及陶瓷基复合材料微缺陷超声检测中,通过人工缺陷试样实验得出,泄漏瑞利波法比纵波垂直入射法,对孔型及槽型人工缺陷均具备更好检测敏捷度,在层状构造陶瓷基复合材料中可检出直径115um人工孔;
在陶瓷材料中,可检出直径为53um人工孔和宽度为43um人工槽。
[17]当前,采用智能、激光等技术与无损检测技术有机结合以实现复杂形面复合构件超声扫描成像检测,是近年来国外复合材料构件无损检测领域研究前沿课题。
[18]
3几种新型无损检测技术
在陶瓷材料无损检测中,激光超声、扫描声显微镜、扫描激光声显微镜(SLAM)及有关成像等新技术得到了长足发展。
3·
1激光超声检测技术及其应用
激光激发超声波原理和提高激发超声信号强度参见文献。
[7][20]与老式压电换能器技术相比,激光超声最重要长处是非接触检测,它消除了压电换能器技术中耦合剂影响,可用于各种较复杂形貌试样特性检测。
它能以光波波长为测量原则而精准测量超声位移.如激光扫描式超声显微镜法,对内部缺陷也有很强检出能力,普通可检出尺寸在10um以上气孔缺陷。
由于极短激光脉冲可以激发出极短超声脉冲,通过对衍射超声波渡越时间差分析,可以精确地拟定各种缺陷、涉及各种体缺陷和表面缺陷位置,其精度可优于0.1mm。
如美国斯坦福大学、加拿大QeenS大学等将LGAP与光探针相结合,很容易地探测到亚表面缺陷,实现高精度无损检测。
在洛克希德·
马丁公司激光超声检查技术中心检查系统中,激光束可以从与轴线成45度角入射而在形状复杂构件中产生超声,而老式水浸系统,入射角必要保持在3度内才干产生超声。
激光超声微裂纹检测技术发展,该技术不但合用于对铝、陶瓷和钢在高温下材料特性测定和迅速运动等需非接触检测工件,并且为微构造和微小零件理论分析提供有力手段,特别是对于物质表面和亚表面物理化学特性研究起到了推动作用。
国内同济大学钱梦騄等一方面将激光超声技术应用到对纳米材料分析上,得出了声速与制备纳米材料时压力、温度关系[8];
可对纳米陶瓷声速及相应杨氏模量进行测定;
可以以便地评估弯曲表面试件应力状态等。
但是,激光超声局限性是检测系统庞大以及检测环境规定较高(要隔振等)。
2超声波显微成像技术在陶瓷材料检测中应用
在当代无损检测技术中,超声成象技术是一种令人瞩目新技术。
它具备检测一致性,可靠性、复现性高,检测成果自动比较,对缺陷做动态检测等长处。
当前已经使用和正在开发成像技术涉及B,C,D扫描成像、超声显微术、P扫描成像、ALOK超声成像技术、合成孔径聚焦技术SAFI、超声全息成像、超声CT成像等技术。
成像分析中采用了数字信号解决最新技术,涉及时间渡越衍射技术、倒谱分析与有关分析等。
几种常用扫描超声成像系统涉及顾客除使用信号解决算法或图像显示外,有时须借助于专家系统等技术支持。
[10]
1超声成像无损检测系统
以电器开关检测专用设备为例。
超声成像无损检测系统超声成像无损检测系统如下图。
采用水浸超声C扫描成像原理是以水为耦合剂,应用水浸点聚焦探头,使发射超声波束垂直于试样被测面,并聚焦于被测面,对试样进行逐点逐行扫描,同步将每一点反射回波模仿信号转换成数字信号,并保存及进行信号解决,最后将信号相应地显示在计算机屏幕上,显示成二维伪彩色图像。
其原理如图1所示,其中图1(a)表达C扫描途径,图1(b)表达C扫描时试样探头和精密扫查器相对位置。
(a)C扫描途径(b)C扫描时探头和扫查器位置
图1水浸超声C扫描成像无损检测系统示意图图2计算机辅助超声波显微镜对陶瓷垫片检查
通过对大量开关电器电触头检测,将后解决试样用扫描仪扫描成像,与本系统超声C扫描图像对比,成果表白,本系统缺陷检测成果与实际缺陷界面基本一致。
[11]
图2是运用计算机辅助超声波显微镜对3个碳化硅垫片检查状况。
扫描形成图象具备高放大率和高辨别率。
可以由法向入射声波束或者从不同角度或者相对表面不同方向声波束成象。
这样便于分析加载或机械加工对材料影响。
可以明显看出,图中左边和中间两图反映无磨损垫片状况。
右图表达垫片具备磨损,因而有一定量反向散射回声,可以看出,图象明显不同于无磨损垫片。
[12
2陶瓷超声c扫描
由计算机辅助超声波显微镜(C型扫描)合用于表面检测、或者因机械加工或解决损坏陶瓷材料表面检查、薄试件和较厚试件限定区容量检查。
在对工程陶瓷材料内部缺陷检测中,老式工程陶瓷内部缺陷大多采用水浸探伤法,以水浸纵波垂直探伤法检测缺陷时,波束路程可以直接读出。
为检出微小缺陷而采用高频率探头时,因超声波衰减大,往往检不出缺陷,这时改用较低频率探头反而可以检出缺陷,最低频率范畴为20kHz~2o0kHz。
当采用水浸斜角探头而使用横波时,其声速比纵波声速小,以此提高探伤辨别能力。
多晶片散射波法是检测工程陶瓷内部缺陷有效办法。
如图5所示,在探头内透声楔周边排列各种晶片,使纵波垂直地射到被检工件上,以斜角接受反射波时,由散射波图像,运用反波恩(InveresBorn)近似,可推定缺陷尺寸。
以椭圆体缺陷为例,如果使接受晶片数目N=25左右,可以较高精度推定X、Y、z轴方向缺陷尺寸。
如表1所示。
[16]
当前使用C扫描法能以便地检测工程陶瓷内部缺陷位置、大小和分布状态。
用25MHz探头对常压烧结氮化硅进行C扫描,可发现表面下2mm深处10um~75um线状缺陷。
以15MHz探头对氮化硅进行C扫描,可以检出30um气孔。
以30MHz聚焦型超声波对氧化锆进行C扫描,可清晰地检出尺寸在20um以上所有气孔。
实验参数
半轴(um)
N
°
25
39
40
101
50
17
26
27
119
54
9
28
123
53
6
19
122
56
真值
47
97
图5多晶片散射波法表1椭圆缺陷尺寸推定精度
相比常规超声波检测办法,超声波显微照相术可以提供较高横向和深度方向辨别度,可实现非常小不持续点检测,精准地定位,对细小裂纹可形成逼真图象,提高了实验数据可靠性。
但这受到讯号衰减、被检零件深度、穿透度等因素影响。
当前,c扫描发展方向是提高检测范畴、能力和辨别率。
超声C扫描成像可分为常规和显微成像c扫描两种。
1、C扫描可以检测试样中气孔、裂纹、夹杂和孔隙率等,特别是可以清晰地显示出所有夹杂物,涉及对x射线不敏感非铁夹杂物,可依照成像图形测定缺陷大小。
c扫描成像辨别率较高,用10MHz对氮化硅陶瓷进行检测,可以检出直径30mm气孔。
常规c扫描:
常规c扫描工作频率较低,普通在l0MHz如下,也有用到50MHz高频。
Frlant等用常规c扫描进行了碳化硅纤维强化玻
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