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超声波在陶瓷无损检测中的应用

发布日期:2018-03-03 15:15    浏览次数:次

1 超声波的发展史及特点
    声学作为物理学的一个分支,是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。在1940年以前只有单晶压电材料, 使得超声波未能得到广泛应用。20世纪70年代, 人们又研制出了PLZT透明压电陶瓷, 压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。
    声波的全部频率为10- 4 Hz~ 1014 Hz, 通常把频率为2× 104 Hz~ 2× 109 Hz的声波称为超声波。超声波作为声波的一部分, 遵循声波传播的基本定律, 但超声波也有一些突出的特点: ①超声波的方向性好: 超声波具有象光波一样的方向性, 经过专门的设计可以定向发射, 利用超声波可在被检测对象中进行有效的探测, 超声波频率愈高, 方向性愈好; ②超声波的穿透能力强: 对大多数介质而言, 它具有较强的穿透能力;③超声波的能量高: 超声检测的工作频率远高于声波的频率, 具有很高的能量; ④超声波波长短、绕射现象小: 因为它频率高、波长短, 物体的缺陷引起的反射很容易发现, 因此常被用于探伤。正是这些特点使超声波在无损检测中得到广泛的应用。
2 超声波检测的基本原理
    超声波在不同的介质中传播, 遇到界面时超声波将发生反射、折射和波型的转换。在声阻抗不同的异质界面上会产生反射, 当超声波从介质1垂直入射到介质2时, 在界面处的反射率R为:

式中: Z1、Z2—— 分别为介质1和介质2的固有声阻抗,Z= dC, 其中, d为材料的密度, C 为声速。
    两种介质的声阻抗差愈大, 超声波在界面处的反射愈强烈。陶瓷中的夹杂物与基体的声阻抗差距越大,则检出的可能性也越大。
3 检测内容
    超声法检测陶瓷可分为气孔率的检测和表面缺陷检测
3. 1 陶瓷气孔率的检测
    陶瓷的强度、弹性模量、密度等直接和气孔率有关, 有些构件的气孔率决定了它能否使用。陶瓷中超声波的传递速度v 和气孔率(或密度)之间也存在某种关系, 可以通过实测得到v , 再利用式( 2)、式( 3)求出陶瓷的气孔率:

    将气孔简化为随机取向的椭球, 均匀分布在各向同性的基体中, 用复合微观力学模型计算声速并和实测值进行比较, 由式( 2)计算得到气孔率。
    当陶瓷材料的理论密度已知时, 气孔率可由体密度计算而来。体密度的测量方法很多, 常用的有阿基米德法。
    陶瓷的内部缺陷也可以采用水浸探伤法来检测, 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。要检出微小缺陷时, 可以改用较低频率的探头。
3. 2 表面缺陷检测
    对于陶瓷而言, 同一形状和尺寸的表面缺陷比内部缺陷更容易引起破坏, 因此表面缺陷的检测特别重要。通常用水浸表面波法检测陶瓷的表面缺陷, 其原理见图1。将超声波(纵波)倾斜入射到浸入水中的被检物表面, 当入射角θc 大于第二临界角θC 时, 折射声波全部沿着工件表面传播, 形成表面波, 表示为:

式中: Cl 1—— 水中的纵波声速;Cr2—— 工件水浸表面波声速。
                          图1 水浸表面波法原理
    表面波波长比横波波长短, 衰减也大于横波。同时, 它仅沿表面传播, 遇到尖锐转角或棱角时将有强烈反射回波, 曲率越大反射越强。水浸表面波在试块表面传播时, 能量可泄漏到水中, 故仅仅传播数毫米后, 水浸表面波的反射波高度就显著降低。鉴于反射波传递距离较小的振幅特性, 应尽可能使探头靠近缺陷处。
    除上述方法外, 可用于现代陶瓷表面缺陷检测的还有梳形电极探头法、超声显微镜法和激光扫描式超声显微镜法等。
4 结束语
    至今为止, 我国关于现代陶瓷超声波探伤的研究还不很多, 积累的数据较少, 还没有客观性较强的标准试块。今后需加强研究的方向是新探伤方法的开发应用以及高性能探头的开发。当然, 伴随着以计算机技术为具体体现的信息技术的突飞猛进, 现代超声无损检测技术也正在向着数字信号处理和检测成像的方面发展。
参考文献:
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