无损检测技术简介

无损检测技术简介

引言：本文主要对超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检验等无损检测技术进行简要介绍，并且对超声检测技术进行着重的描写，使大家对无损检测技术有一个初步的了解。如果对无损检测技术有更浓厚的兴趣请参阅有关专业书籍以及论文。

关键词：无损检测，超声检测。

一、 无损检测概述

无损检测NDT （Non-destructive testing），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。

与破坏性检测相比，无损检测具有以下显著特点：

(1) 非破坏性：检测不会损害被检对象的使用性能，因此，无损检测又

称为非破坏性检测。

(2) 全面性：由于检测是非破坏性的，因此必要时可对被检对象进行100%

的全面检测，这是破坏性检测所办不到的。

(3) 全程性：破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测，如机械工程

中普遍采用拉伸、压缩、弯曲、疲劳等破坏性检测都是针对制造用

原材料进行的，对于产品和在用品，除非不准备让其继续服役否则

是不能进行破坏性检测的。而无损检测因不损坏被检测对象的使用

性能所以，不仅可以对制造用原材料、各中间工艺环节、直至最终

的产成品进行全程检测，也可对服役中的设备进行检测，如桥梁、

房屋建筑、各类输送管道、机械零部件及成套设备、汽车、机车、

飞机、轮船、核反应堆、宇航设备及电力设备等，都可进行无损检

测。

(4) 可靠性问题：目前还没有一种对所有材料或缺陷都可靠的无损检测

方法，无损检测结论的正确与否还有待其他手段（如解体检测）的

检验，其可靠性还有待提高。

开展无损检测的研究与实践意义是多方面的，主要表现在以下几方面：

(1) 改进生产工艺：采用无损检测方法对制造用原材料直至最终的产品

进行全程检测，可以发现某些工艺环节的不足之处，为改进工艺提

供指导，从而也在一定程度上保证了最终产品的质量。

提高产品质量：无损检测可对制造产品的原材料、各中间工艺环节

直至最终的产成品实行全过程检测，为保证最终产品年质量奠定了

基础。 (2)

(3) 降低生产成本：在产品的制造设计阶段，通过无损检测，将存有缺

陷的工件及时清理出去，可免除后续无效的加工环节，减小原材料

和能源的消耗节约工时，降低生产成本。

(4) 保证设备的安全运行：由于破坏性检测只能是抽样检测不可能进行

100%的全面检测，所得的检测结论只反映同类被检对象的平均质量

水平。

此外，无损检测在农作物优种和病虫害防治、自然灾害监测与预防、文物保护、资源勘探、军事侦察、科学研究、新材料研究、新工艺开发、新产品研制等诸多方面都大有其用武之地，“现代工业是建立在无损检测基础之上的”并非言过其实。

无损检测分为常规检测技术和非常规检测技术。常规检测技术有：超声检测 Ultrasonic Testing （缩写 UT）、射线检测 Radiographic Testing （缩写 RT）、磁粉检测 Magnetic particle Testing （缩写 MT）、渗透检验Penetrant Testing （缩写 PT）、涡流检测Eddy current Testing（缩写 ET）。非常规无损检测技术有： 声发射Acoustic Emission(缩写 AE)、 红外检测Infrared （缩写 IR）、激光全息检测Holographic Nondestructive Testing（缩写HNT ）等。

二、无损检测分类及简介

下面对以上所说的五种常规检测技术以及几种非常规检测技术做一下简要的介绍。

1. 超声检测

超声检测的基本原理是：利用超声波在界面（声阻抗不同的两种介质的结合面）出的反射和折射以及超声波在介质中传播过程中的衰减，由发射探头向被检件发射超声波，由接收探头接收从界面（缺陷或本底）处反射回来超声波（反射法）或透过被检件后的透射波（透射法），以此检测备件部件是否存在缺陷，并对缺陷进行定位、定性与定量。

超声检测的优点如下：

①检测成本低；②设备轻便，操作安全；③适用对象广，金属、非金属（塑料、橡胶、木材）、复合材料（混凝土、陶瓷）均可检测；④兑平面型缺陷比较敏感；⑤缺陷定位比较准确；⑥可进行单面检测。

超声检测的局限性如下：

①存在检测盲区；②检测效率低；③缺陷定性还有待深入研究，缺陷定量也不够直观、方便（目前主要采用当量法）；④对粗晶材料的检测比较困难；⑤一般需要耦合剂。

超声检测主要应用于对金属板材、管材和棒材，铸件、锻件和焊缝以及桥梁、房屋建筑等混凝土构建的检测。

2. 射线检测

射线检测的基本原理是：利用射线(X射线、γ射线和中子射线) 在介质中传播时的衰减特性，当将强度均匀的射线从被检件的一面注入其中时，由于缺陷与被检件基体材料对射线的衰减特性不同，透过被检件后的射线强度将会不均匀，用胶片照相、荧光屏直接观测等方法在其对面检测透过被检件后的射线强度，即可判断被检件表面或内部是否存在缺陷（异质点）。

射线检测的优点如下

①检测结果直观；②缺陷定性比较容易，定量、定位也比较方便；③检测结果可以保存；④适用对象广（金属、非金属、复合材料均可）。

射线检测的局限性如下：

①检测成本较高；②存在安全隐患，应注意射线防护；③对体积型缺陷的检测灵敏度较高，对平面型缺陷的检测灵敏度较低；④需利用双面法检测；⑤照相法的检测效率较低；⑥射线透射方向的被检件尺寸不能太大。

目前，射线检测主要一个用于机械兵器、造船、电子、航空航天、石油化工等领域中的铸件、焊缝等的检测。

3. 磁粉检测

磁粉检测的基本原理是：由于缺陷与基体材料的磁特性（磁阻）不同穿过基体的磁力线在缺陷处将产生弯曲并可能逸出基体表面，形成漏磁场。若缺陷漏磁场的强度足以吸附磁性颗粒，则将在缺陷对应处形成尺寸比缺陷本身更大、对比度也更高的磁痕，从而指示缺陷的存在。

磁粉检测的主要优点如下：

①能直观的显示缺陷的位置、形状、大小，并可大致确定缺陷的性质；②检测灵敏度较高，目前可检测出的最小缺陷宽度约为0.1微米；③几乎不受试件大小和形状的限制；④检测速度快；⑤检测工艺简单；⑥检测费用低。

磁粉检测的局限性如下：

①只能检测铁磁性材料，不能检测非铁磁性材料（如铜、铝等有色金属，奥氏体不锈钢，非金属）；②只能检测表面或接近表面缺陷，可探测的缺陷深度一般在1-2毫米以内；③对缺陷取向有一定的限制，一般要求磁化场的方向与缺陷主平面的夹角大于20°；④对试件表面的质量要求较高；⑤深度方向的缺陷定量与定位困难。

目前，磁粉检测主要应用于金属铸件、锻件和焊缝的检测。

4. 渗透检测

渗透检测的基本原理是：利用毛细管现象和渗透液对缺陷内壁的浸润作用，使渗透液进入缺陷中，将多余的渗透液出去后，残留缺陷内的渗透液能吸附显像剂从而形成对比度更高、尺寸放大的缺陷显像，有利于人眼的观测。

渗透检测的主要优点如下：

①不受试件形状、大小、化学成分、组织结构的限制，不受缺陷方位的限制，且一次操作可同时检出所有的表面开口缺陷；②检测设备及工艺过程简单；③对人员的要求不高；④缺陷显示直观；⑤检测灵敏度较高。

渗透检测的局限性如下：

①只能检测表面开口缺陷；②对多孔性那个材料的检测困难；③检测结果受检测人员的影响较大。

目前，渗透检测主要应用于有色金属和黑色金属材料的铸件、锻件、焊接件、粉末冶金件以及陶瓷、塑料和玻璃制品的检测。

5. 涡流检测

涡流检测的基本原理是：将交变磁场靠近导体（被检件）时，由于电磁感应在导体中将感生出密闭的环状电流，此即涡流。该涡流受激励磁场（电流强度、频率）、导体的电导率和磁导率、缺陷（性质、大小、位置等）等许多因素的影响，并反作用于原激发磁场，使其阻抗等特性参数发生改变，从而指示缺陷的存在与否。

涡流检测的主要优点如下：

①检测速度快，检测效率高；②便于实现自动化；③非接触。

涡流检测的局限性如下：

①只能检测导电材料；②影响因素众多，信号解释困难，检测结果不够直观；③只能检测表面或接近表面缺陷；④对形状复杂的试件检测有困难；⑤一般只能给出却显得有无，缺陷定性、定位、定量都比较困难。

目前，涡流检测主要应用于导电管材、棒材、线材的探伤和材料分选。

6. 声发射检测

声发射检测的基本原理是：利用材料内部因局部能量的快速释放（缺陷扩展、应力松弛、摩擦、泄露、磁畴壁运动等）而产生的弹性波，用声发射传感器级二次仪表取该弹性波，从而对试样的结构完整性进行检测。

声发射检测的主要优点如下：

①能给出缺陷危害的程度信息；②对众多的缺陷能一次检出，检测效率高；适应对象广，对事件的材料种类几乎没有限制；③灵敏度较高；缺陷定位比较准确；④非接触检测。

声发射检测的局限性如下：

①存在Kaiser 效应，一般需对试样加载，因而检测对试样有一定的损害；②设备昂贵；③噪音干扰较大，信号解释困难；④缺陷定性比较困难。

目前，声发射检测主要应用于锅炉、压力容器、焊缝等试件中的裂纹检测；隧道、涵洞、桥梁、大坝、边坡、房屋建筑等的在役检（监）测。

7. 红外检测

红外检测的基本原理是：用红外点温仪、红外热像仪等设备，测取目标物体表面的红外辐射能，并将其转变为直观形象的温度场，通过观察该温度场的均匀与否，来推断目标物体表面或内部是否有缺陷。

红外检测的主要优点如下：

①检测结果直观形象且便于保存；②大面积快速，检测效率高；③适应对象广，对试件测材料种类几乎没有限制；④灵敏度较高；⑤缺陷定位比较准确；⑥远距离非接触检测；⑦操作安全。

红外检测的局限性如下：

①设备昂贵，检测费用较高；②对表面缺陷敏感、对内部缺陷的检测有困难；③对地发射率材料的检测有困难；④对导热快的材料检测有困难。

目前，红外检测主要用应于电力设备、石化设备、机械加工过程检测、火灾检测、农作物优种、材料与构件中的缺陷无损检测。

8. 激光全息检测

激光全息检测是利用激光全息照相来检验物体表面和内部的缺陷。它是将物体表面和内部的缺陷，通过外部加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部变形，用激光全息照相来观察和比较这种变形，然后判断出物体内部的缺陷。

与其他无损检测相比较，激光全息检验具有以下显著优点：

①检验灵敏度高；②检验效率高；③适应对象广，对事件的材料种类几乎没有限制；④直观感强；⑤非接触检测；⑥检测结果便于保存等。

激光全息检测的局限性如下：

①对内部缺陷的检测灵敏度有待提高；②对工作环境要求高，一般应在暗室中进行，并需要采用严格的隔振措施，因此不利于现场检测。

目前，激光全息检测主要应用于航空、航天以及军事等领域，对一些常规方法难以检测的零部件进行检测，此外，在石油化工、铁路、机械制造、电力电子等领域也获得了越来越广泛的应用。

三、超声检测简介

与其他常规无损检测方法相比，超声检测具有被检对象广泛、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害以及便于使用等特点。超声检测几乎渗透到所有的工业部门，如钢铁工业、机械制造业、石化工业、铁路运输业、造船工业、航空航天、核电工业、集成电路工业等。超声检测是目前国内外应用最广、使用频度最高且发展较快的一种无损检测技术。

1. 超声波

所谓超声波，是一种质点振动频率高于20kHz 的机械波，引起频率超过人耳所能听到的声频段（16kHz-20kHz ）而得名超声波。无损检测用的超声波频率范围为0.2-20MHz ，其中最常用的频段为0.5-10MHz 频段。较高的频率主要用于细晶材料和高灵敏度检测，而较低的频率则常用于衰减较大和粗晶材料的检测。

超声波之所以广泛应用于无损检测，是基于其指向性好、穿透能力强、在界面处会发生反射、和其基本对人无害操作安全等特性。

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加超声波的能量会逐渐减弱，即衰减。引起超声波衰减的原因很多，主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。这里将不逐一介绍这些衰减，只给出衰减的表示方法，对于平面波，其衰减规律为：P x =P 0*e -ax

式中：P x 为距波原为x 处的声压，P 0为波源的起始声压，x 为至波源的距离，α为介质的衰减系数。

2. 超声检测设备

超声波的检测设备是从事超声波检测的工具，通常指超声波检测仪和超声波探头，但由于石块在超声波中的重要作用所以也经常将其视为超声波检测设备的组成部分，此外，目前的超声波检测方法多以直接耦合方式将探头与工件接触，所以还需要耦合剂。

超声波检测仪是超声检测的主体设备，其性能的好坏直接影响到检测结果的可靠性。超声检测仪的作用是产生电振荡并加于探头，使之发射超声波，同时，还将探头送回的电信号进行滤波、检波和放大等，并以一定的方式将检测结果显示出来，人们以此获得被检工件内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小和性质等方面的信息。

超声波检测仪按超声波的连续性分为脉冲波检测仪、连续波检测仪和调频波检测仪，按缺陷现实的方式分为A 型显示检测仪、B 型显示检测仪、C 型显示检测仪，按超声波的通道数分有单通道型和多通道型两大类，按信号输出方式分有模拟式和数式是两大类。

超声检测中，超声波的产生和接收过程是一个能量转换过程，这种转换是通过探头实现的，探头的功能就是将电能转换为超声能和将超声能转换为电能。探头是超声检测设备的重要组成部分，其性能的好坏对超声波检测的成功与否其关键作用。目前，超声波检测探头多为压电型，起作用原理为压电晶体在高频电振荡的激励下产生高频机械振动，并发射超声波；或在超声波的作用下产生机械变形，并因此产生电荷。探头与仪器的组合性能主要有信噪比、灵敏度余量、始波宽度、盲区大小和分辨率等。

按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件称为试块。其主要用途有：确定合适的检测方法；确定和校验检测灵敏度；测试和校验仪器的和探头的性能，如组合灵敏度、垂直线性、水平线性、盲区和灵敏度等；调节探测范围，确定缺陷位置；评价缺陷大小，对被探工件评级和判废；测量材质衰减和确定耦合补偿等。

在超声波检测中，耦合剂的作用主要是排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效的传入工件，以便检测。当然，耦合剂也有利于减小探头与工件表面的摩擦，延长探头的使用寿命。

3. 超声检测技术

超声检测方法有脉冲反射法、穿透法和共振法。其中脉冲反射法主要特点是探测灵敏的高，能准确的确定缺陷的位置和深度，可用纵波、横波、表面波和板波进行探测，应用范围广，可自动探测。穿透法主要特点是探测灵敏度比反射法低，不能发现小缺陷，根据能量的变化即可判断缺陷的有无，但不能定位，适宜探测超声波衰减大的材料，可避免盲区，适宜探测薄板，指示简单，便于自动探伤，对两探头的距离和位置要求较高。共振法是根据试件的共振性来判断缺陷情况的方法，试件厚度为：δ=c 2(f n -f n -1)

其中δ为试件厚度，c 为被检试件中的声速，f n ，f n -1为第n 和n-1次共振点的 共振频率。其特点是可精确测厚，测量精度可达0.1mm 甚至um 级，特别适宜测量薄板及薄壁管，对工件表面粗糙度要求高否则不能进行测量，探测灵敏度比脉冲反射法低。

对于不同的检测方法，经过一定的几何运算即可求得缺陷在工件中的具体位置。目前对缺陷的定量方法很多，但均有一定的局限性，较常用的方法有当量法、底波高度法和测长法。不同性质的缺陷对工件的危害程度不同，且目前对缺陷的精确定性尚有困难，实际检测中常常根据经验并结合工件的加工工艺、缺陷特性、缺陷波形和底波情况来分析估计缺陷的性质。

4. 超声检测的应用及新进展

超声检测的应用是多方面的，既可用于板材、管材、棒材、铸件、锻件和焊缝等的检测，又可用于液位、涂层厚度、硬度以及材料的弹性模量、晶粒度、残余应力等的检测。除此之外，超声波检测还有许多应用，如非接触的在管道外测量管内流体的流速和流量、超声波检漏、组织结构和晶粒尺寸的超声表征等。

为了克服传统超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测，也已提出的非接触式超声检测方法有激光超声、电磁超声、空气耦合超声等，其中，前两者较为成熟。此外，为了提高检测效率，还发展了相控阵超声检测。

四、个人感想

通过对机械工程系列讲座的学习，使我大概对现代机械制造技术有了一个大致的了解。通过对数字化制造技术、PDM 、虚拟制造技术、可靠性技术、精密测量技术、精密为小型制造技术、先进加工技术与生物制造、现代表面工程技术、

基于制造特性的仿真技术、无损检测技术、制造精度、激光微/纳技术、信息时代的产品开发支持技术以及虚拟装配技术的学习，使我认识到机械工程中有很多高科技领域需要研究，现代制造技术与于以往的制造技术有了很大的不同，随着加工和检测精度的提高会带来一系列的问题，对机械工程的各个领域都会产生很大的影响。例如无损检测方面，随着不同无损检测技术的开发与应用，对被测缺陷的精度也不尽相同，在权衡了各种检测的利与弊之后，选出合适的方法进行检测是很重要的。

之前，我选过开放性选修课基于通用数字示波器的数据采集系统开发，在课上听到老师提到过超声检测的方法，主要是通过超声波振源产生超声波，然后发射出去再反射回来，将反射回来的超声波用传感器采集后将机械信号转换为电信号即模拟信号，然后通过DA 卡（或示波器）转换成数字信号传入计算机，供计算机分析，在实验室中，也有幸见到了超声波检测的仪器，可以明显看到超声波发射器在被测工件（工件和振源都在水中）上方和不再其上方时，计算机屏幕上的信号明显不同，再通过对讲座的学习以及自己课下查找资料，对超声检测已经有了一个初步的了解，希望在以后的专业课程中能够多多学习、多多了解本专业的知识。

参考文献

[1]李国华，吴淼. 现代无损检测与评价. 化学工业出版社.

[2]刘燕德. 无损智能检测技术及应用. 华中科技大学版社.