《機車檢測和監測技術》項目2目錄CONTENTS任務一 無損檢測概述任務二 超聲波無損檢測任務三 電磁探傷無損檢測鐵路小故事復習思考題任務一無損檢測概述一、無損檢測概念（一）無損檢測的定義無損檢測（NDT）是一門綜合性的應用科學技術，它是在不改變或不影響被檢對象使用性能的前提下，借助物理手段對其進行宏觀與微觀缺陷檢測，幾何特性度量，化學成分、組織結構和力學性能變化的評定，進而就其使用性能做出評價的一門學科（二）無損檢測的作用現代無損檢測技術不僅形式多樣，技術手段也日臻成熟，在鑄件、鍛件、棒材、粉末冶金制件、焊接件、非金屬材料、陶瓷制件、復合材料、鍋爐、壓力容器、核電設備等許多領域都有較好的應用，對于改進產品的設計制造工藝、降低制造成本以及提高設備運行的可靠性等具有十分重要的意義。其作用主要如下：三、機車檢測與故障診斷系統的構成用無損檢測技術測定材料的物理性能和組織結構，能判斷材料的品種和熱處理狀態，進行材料分選。產品的幾何尺寸、涂層和鍍層厚度、表面腐蝕狀態、硬化層深度和應力密度都能用無損檢測技術測定對在役設備或生產中的產品進行現場或動態檢測，將產品中的缺陷變化信息連續地提供給運行和生產部門實行監視對產品質量做出評價。無論是鑄件、鍛件、焊接件、鈑金件或機加工件以及非金屬結構都能應用無損檢測技術探測其表面或內部缺陷，并進行定位定量分析。（1）無損探傷（2）材料檢測（3）幾何度量（4）現場監視一、無損檢測概念（三）無損檢測的特點（1）不破壞被檢對象。（2）可實現100%的檢驗。（3）發現缺陷并做出評價，從而評定被檢對象的質量。（4）可對缺陷形成原因及發展規律做出判斷，以促進有關部門改進生產工藝和產品質量。（5）對關鍵部件和關鍵部位在運行中做定期檢查，甚至長期監控以保證運行安全，防止事故發生。（四）無損檢測的基本要素（1）源，它能提供適當的探測介質或激勵被檢測物體產生某種特殊的運動。（2）探測介質或特殊運動方式會受到被檢測物體的結構異常（不連續或某種變異）的影響而引起變化。（3）探測器，它能檢測出探測介質或特殊運動方式的變化。（4）記錄和顯示裝置能指示或記錄由探測器發出的信號。（5）解釋這些信號的方法。一、無損檢測概念（五）無損檢測的發展無損檢測技術是工業發展必不可少的有效工具，它必將隨著工業生產的進步而發展。早期的無損檢測稱為無損探傷（NDI），它的作用是在不損壞產品的前提下發現人眼無法看到的缺陷，以滿足工程設計中的強度要求。第二階段稱為無損檢測（NDT），這個階段始于20世紀70年代，它不但檢測最終產品，而且要測量各種工藝參數，制成工件后，還需知道它的組織結構、晶粒大小和殘余應力等。第三階段稱為無損評價（NDE），尤其對航空、航天、核電、能源、交通、石油和化工等方面的機械產品，在加強檢測同時注重產品質量的評價，確保每一件產品都是合格的。二、常用無損探傷方法無損探傷是無損檢測（包括探傷、測量、評價）的一個重要組成部分，它是對材料、工件或組件進行非破壞性檢測和分析，以發現材料和構件中非連續性宏觀缺陷（如裂紋、夾渣、氣孔等）為主要目的檢驗。無損探傷的方法較多，可分為6大類約70余種，但在實際應用中較普遍的為超聲探傷、射線探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷5種常規方法。鑒于超聲波探傷和磁粉探傷在目前占有舉足輕重的地位，本書將在后面予以重點介紹，以下針對其他幾種常規探傷簡要介紹其基本原理、主要特點和適用場合。二、常用無損探傷方法工業應用中的射線探傷技術大體上可以分為射線照相探傷技術、射線實時成像探傷技術、射線層析（CT）探傷技術等，常規的射線探傷技術一般指射線照相探傷技術（以下均以此技術介紹），其基本原理（右圖）為：射線在穿過物質的過程中，會受到物質的散射和吸收作用，因物體材料、缺陷和穿透距離的不同，射線強度將產生不同程度的衰減。當把強度均勻的射線照射到物體的一側，使透過的射線在物體另一側的膠片上感光，膠片顯影后，得到與材料內部結構和缺陷相對應的黑度不同的圖像，即射線底片。通過對圖像的觀察分析，最終確定物體缺陷的種類、大小和分布情況。（一）射線探傷（RT）缺陷的射線照相二、常用無損探傷方法磁粉探傷是指把鋼鐵等鐵磁性材料磁化后，利用缺陷部位所發生的磁極吸附磁粉的特性顯示缺陷位置的方法。把一根中間有橫向裂紋的強磁性材料試件進行磁化后（右圖），可以認為磁化的材料是許多小磁鐵的集合體。在沒有缺陷的連續部分，由于小磁鐵的N、S磁極互相抵消，而不呈現出磁極，但在裂紋等缺陷處，由于磁性的不連續將呈現磁極，在缺陷附近的磁力線繞過空間出現在外面，即缺陷漏磁。缺陷附近所產生的稱為缺陷的漏磁場，其強度取決于缺陷的尺寸、位置及試件的磁化強度等。當把磁粉散落在試件上時，在裂紋處就會吸附磁粉，稱為缺陷磁粉跡痕，由此可以發現缺陷的部位。（二）磁粉探傷（MT）（a）磁棒磁力線分布（b）磁棒的磁極（c）缺陷漏磁磁場的形成二、常用無損探傷方法滲透探傷是指將溶有熒光染料（熒光探傷）或著色染料（著色探傷）的滲透液施加在試件表面，滲透液由于毛細作用能滲入各種形狀開口于表面的細小缺陷中。此時，清除附著在表面的多余滲透液，把工件表面多余的滲透液清洗干凈，但不得把已滲入缺陷內的滲透液清洗掉，然后經干燥和施加顯像劑后，在黑光或白光下觀察，缺陷處可分別發出黃綠色的熒光或呈現紅色，從而能夠用肉眼檢查出試件表面的開口缺陷。滲透探傷的基本步驟如圖所示。滲透探傷除熒光滲透探傷和著色滲透探傷方法外，還有濾出粒子探傷法、氣體滲透成像等。滲透探傷適用于檢測金屬和非金屬材料表面開口的裂紋、折疊、疏松、針孔等缺陷。它能確定缺陷的位置、大小和形狀，但難于確定其深度，不適用于探測多孔性材料及材料內部缺陷。（三）滲透探傷（PT）（a）滲透（b）清水清洗（c）溶劑清洗（d）顯像（e）觀察滲透探傷步驟二、常用無損探傷方法渦流探傷是將通有交流電的激勵線圈靠近某一導電試件（右圖），由于電磁感應作用進入試件的交變磁場可在試件中感生出方向與激勵磁場相垂直的、呈旋渦狀流動的電流（渦流）。此渦流產生磁場會影響原磁場的變化，從而引起線圈阻抗的變化，通過對線圈阻抗變化的測量，就可得知試件中產生的渦流狀況，從而獲悉與試件有關的一些參量。當試件內有缺陷時，渦流因流動途徑的變化，使渦流磁場也相應變化，經試驗線圈檢出異常磁場的變化量，可獲得缺陷的信息。（四）渦流探傷（ET）渦流的產生二、常用無損探傷方法（五）超聲波探傷（UT）超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法。當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波，在熒光屏上形成脈沖波型，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小超聲波在介質中傳播時有多種波型，檢驗中最常用的為縱波、橫波、表面波和板波。用縱波可探測金屬鑄錠、坯料、中厚板、大型鍛件和形狀比較簡單的制件中所存在的夾雜物、裂縫、縮管、白點、分層等缺陷；用橫波可探測管材中的周向和軸向裂縫、劃傷、焊縫中的氣孔、夾渣、裂縫、未焊透等缺陷；用表面波可探測形狀簡單的鑄件上的表面缺陷；用板波可探測薄板中的缺陷。二、常用無損探傷方法幾種探傷方法的比較見下表。探傷方法優

點缺

點適用范圍射線探傷（1）適用于幾乎所有材料；（2）探傷結果（底片）顯示直觀、便于分析；（3）探傷結果可以長期保存；（4）探傷技術和檢驗工作質量可以監測（1）檢驗成本較高；（2）對裂紋類缺陷有方向性限制（3）需考慮安全防護問題（如X、γ射線的傳播）檢測件及焊接件等構件內部缺陷，特別是體積型缺陷（即具有一定空間分布的缺陷）磁粉探傷（1）直觀顯示缺陷的形狀、位置、大小；（2）靈敏度高，可檢缺陷最小寬度約為1

mm（3）幾乎不受試件大小和形狀的限制；（4）檢測速度快、工藝簡單、費用低廉；（5）操作簡便、儀器便于攜帶（1）只能用于鐵磁性材料；（2）只能發現表面和近表面缺陷（3）對缺陷方向性敏感；（4）能知道缺陷的位置和表面長度，但不知道缺陷的深度檢測鑄件、鍛件、焊縫和機械加工零件等磁性材料的表面或表面缺陷（如裂紋）滲透探傷（1）設備簡單，操作簡便，投資??；（2）效率高（對復雜試件也只需一次檢驗）；（3）適用范圍廣（對表面缺陷，一般不受試件材料種類及其外形輪廓限制）（1）只能檢測開口于表面的缺陷且不能顯示缺陷深度及缺陷內部的形狀和尺寸；（2）無法或難以檢查多孔的材料檢測結果受試件表面粗糙度影響較大；（3）難以定量控制檢驗操作程序多憑檢驗人員經驗、認真程度和視力的敏銳程度用于檢驗有色和黑色金屬的鑄件、鍛件、粉末冶金件、焊接件以及各種陶瓷、塑料、玻璃制品的裂紋、氣孔、分層、縮孔、疏松、折疊及其他開口于表面的缺陷5種常用無損探傷方法比較二、常用無損探傷方法探傷方法優

點缺

點適用范圍渦流探傷（1）適于自動化檢測（可直接以電信號輸出）；（2）非接觸式檢測，無須耦合劑且速度快；（3）適用范圍較廣（既可檢測缺陷也可檢測材質、形狀與尺寸的變化等）（1）只限用于導電材料；（2）對形狀復雜試件及表面下較深部位的缺陷檢測有困難，檢測結果尚不直觀，尚難判斷缺陷性質、大小及形狀用于鋼鐵、有色金屬等導電材料所制成的試件，不適于玻璃、石頭和合成樹脂等非金屬材料超聲波探傷（1）適于內部缺陷檢測，探測范圍大、靈敏度高、效率高、操作簡單；（2）適用廣泛、使用靈活、費用低廉（1）探傷結果顯示不直觀難以對缺陷做精確定性和定量；（2）一般需用耦合劑，對試件形狀的復雜性有一定限制可用于金屬、非金屬及復合材料的鑄、鍛、焊件與板材續表任務二超聲波無損檢測一、超聲波無損檢測基礎知識（一）初識超聲波超聲波探傷是依據定向輻射超聲波束在缺陷界面上產生反射或使透過聲能下降等原理通過測量回波信息和透過聲波強度變化來指示傷損的一種方法。超聲波探傷可檢查金屬材料、部分非金屬材料的表面和內部缺陷，如檢查鍛件中的白點、裂紋、夾渣、分層；非金屬材料中的氣泡、分層和黏合層中的黏合不良；焊縫中裂紋，未焊透、夾渣、氣孔以及管棒和鍛件中與表面成一定角度的缺陷。

因此，它被廣泛地應用于無損探傷。（二）超聲波的產生波是物質的一種運動形式，可分為電磁波和機械波兩類。電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程，如無線電波、紅外線等，而機械波是指機械振動在彈性介質中的傳播過程，如水波、超聲波等。產生機械波需要兩個必要條件：一是要有做機械振動的振源；二是要有能傳遞機械振動的彈性介質。一、超聲波無損檢測基礎知識（三）超聲波的類型根據超聲波傳播時介質質點的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將超聲波分為縱波、橫波、表面波和板波4種?？v波（L波）介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示。當介質質點受到交變拉壓應力作用時，質點之間產生相應的伸縮形變，從而形成縱波橫波（S或T波）介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用S或T表示。當介質質點受到交變的剪切應力作用時，產生剪切形變，從而形成橫波一、超聲波無損檢測基礎知識3.

表面波（R）當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質表面傳播的波，稱為表面波，常用R表示。又稱瑞利波。表面波在介質表面傳播時，介質表面質點做橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成，因此表面波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。表面波的能量隨深度增加而迅速減弱，當傳播深度超過兩倍波長時，質點的振幅就已經很小了，因此，一般認為表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。表面波一般應用于鋼管探傷。一、超聲波無損檢測基礎知識4.板 波板波是板材特有的一種波形，它在板材厚度小于入射波波長時產生。在一個給定的板材中可以存在3種不同偏振的板波：第一種是純橫波，它的偏振方向與板表面平行；第二種是對稱型的拉姆（Lamb）波，在板材中心面上的質點的偏振方向與傳播方向平行，如同波的偏振，而其他位置的質點的偏振軌跡為橢圓；第三種為非對稱型（或彎曲型）的拉姆（Lamb）波，板材中心面上質點的偏振方向與傳播方向相垂直，其他位置的質點的偏振跡也為橢圓。板波一般應用于薄板、薄壁鋼管探傷。一、超聲波無損檢測基礎知識（四）超聲波探傷的優缺點1.

超聲波探傷的優點（1）指向性好。超聲波波長很短，像光波一樣，可以定向發射，因而能方便、準確地對缺陷定位。（2）穿透力強。超聲波能量高，在大多數介質中傳播時能量損失小，在一些金屬材料中傳播時，其穿透能力可達數米。（3）靈敏度高。一個存在于鋼中的空氣分層厚度為10－6

mm，反射率可超過21%，當分層厚度在10－5

mm以上時，反射率可超過94%。（4）適用面廣。可檢測金屬、非金屬、復合材料等多種材料制件的檢測，采用多種波形以及各種探頭作不同方向的探測，能探出工件內部和表面各種取向的缺陷。（5）高效低價。檢測速度快，在較短的時間內就可完成對工件的檢測，僅耗損少量電能和耦合劑。一、超聲波無損檢測基礎知識2.

超聲波探傷的缺點（1）檢測結果受人為影響。對試件中缺陷的發現與評價，主要取決于探傷人員對儀器的調節和判斷。（2）探測面狀態影響檢測結果。探測表面要求制備，不良的探測面影響傷損檢測靈敏度。（3）工件狀態影響檢測結果。工件形狀過于復雜，材料晶粒和組織不均勻對探傷結果均有一定的影響。（4）定量精度差。探測出缺陷的當量或延伸度與實際缺陷大小均有一定的誤差。一、超聲波無損檢測基礎知識（五）超聲波的基本參數（1）振幅A：振動質點偏離平衡位置的最大距離。（2）頻率f：振動質點單位時間（通常指1

s，以下同）內圍繞平衡位置完成全振動的次數稱為振動頻率，其數值與波動頻率相等。波動頻率是指波動過程中任一給定質點在單位時間內通過完整波的個數。在實際探傷中往往會遇到工作頻率和重復頻率兩個概念。工作頻率是指探頭發射的超聲波頻率，重復頻率是指探頭每秒鐘向試件發射超聲波的次數。為了提高探傷速度，一般要求重復頻率越高越好，但過高的重復頻率會導致發射和接收間的干擾，產生幻象回波。因此，重復頻率應根據被檢工件的大小，一次聲程所需要的時間，儀器接收和發射超聲波的能力，以及探傷速度等多方面因素決定。一、超聲波無損檢測基礎知識（3）周期T：振動質點完成一次全振動所需要的時間，單位為秒（s）。周期與頻率的關系為T＝1/f。（4）波長λ：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離稱為波長。波源或介質中任意質點完成一次全振動，波正好前進一個波長的距離，單位為毫米（mm）或米（m）。（5）聲速c：聲波在彈性介質中，單位時間內所傳播的距離，也可稱為波速，單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波長、聲速和頻率之間的關系為λ＝c/f。一、超聲波無損檢測基礎知識下表為一些常用材料中的聲速和波長。材料聲速/（km/s）縱波波長/mm橫波波長/mm縱波橫波2

MHz2.5

MHz2

MHz2.5

MHz鋼5.93.232.952.361.6151.292有機玻璃2.731.431.371.090.7150.572尼龍10102.4—1.20.96——水1.48—0.740.59——油1.4—0.700.56——空氣0.34—0.170.14——一些常用材料中的聲速和波長一、超聲波無損檢測基礎知識通常把充滿超聲波的空間部分或超聲振動所波及的部分介質稱為超聲場。超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被發現。超聲場圓盤聲源（指一種圓平面狀的振子）輻射的縱波聲場軸線上的聲壓分布規律如圖所示。由圖可知，波源附近的軸線上聲壓上下起伏變化，存在若干個極大極小值。距波源的距離愈近，聲壓極大極小值的點就愈密。聲學上把由子波的干涉在波源附近的軸線上產生一系列聲壓極大極小值的區域稱為超聲場的近場區。（六）超聲場的特征值圓盤聲源束軸線上的聲壓分布規律一、超聲波無損檢測基礎知識聲壓p超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強p1與沒有超聲波存在時的靜態壓強p0之差，稱為該點的聲壓，用p表示，即：p＝p1－p0。超聲場中某一點的聲壓的幅值與介質的密度、波速和頻率成正比。在超聲波探傷儀上，屏幕上顯示的波高與聲壓成正比。聲阻抗Z超聲場中任一點的聲壓p與該處質點振動速度之比v稱為聲阻抗，常用Z表示， 。由上式可知，聲阻抗的大小等于介質的密度與波速的乘積。由v＝p/Z可知，在同一聲壓下，Z增加，質點的振動速度下降。因此聲阻抗Z可理解為介質對質點振動的阻礙作用。超聲波在兩種介質組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質的聲阻抗密切相關。一、超聲波無損檢測基礎知識3.聲 強單位時間內垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用I表示。當超聲波傳播到介質中某處時，該處原來靜止不動的質點開始振動，因而具有動能；同時該處介質產生彈性變形，因而也具有彈性位能；聲能為兩者之和。聲波的聲強與頻率的平方成正比，而超聲波的頻率遠大于可聞聲波。因此超聲波的聲強也遠大于可聞聲波的聲強。這是超聲波能用于探傷的重要原因。在同一介質中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。一、超聲波無損檢測基礎知識（七）超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現象叫作超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴散、晶粒散射和介質吸收。擴散衰減超聲波在傳播過程中，由于波束的擴散，使超聲波的能量隨距離增加而逐漸減弱的現象叫作擴散衰減。超聲波的擴散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質的性質無關。散射衰減超聲波在介質中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面產生散亂反射引起衰減的現象，稱為散射衰減。散射衰減與材質的晶粒密切相關，當材質晶粒粗大時，散射衰減嚴重，被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播到探頭，在屏上引起林狀回波，使信噪比下降，嚴重時噪聲會湮沒缺陷波。吸收衰減超聲波在介質中傳播時，由于介質中質點間內摩擦（即黏滯性）和熱傳導引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或黏滯衰減。通常所說的介質衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴散衰減。二、超聲波探傷的原理及方法當超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測，來了解材料的性能和結構的變化，這種技術稱為超聲波檢測。利用超聲波檢測技術形成的超聲波探傷方法，按照工作原理分可以分為脈沖反射法、穿透法、衍射時差法；按照波形分類可以分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法和爬坡法；按照顯示方式分類可分為A型顯示探傷法和超聲成像顯示法；按照探頭數目來分可分為單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按照與工件的接觸方法來分可分為接觸法、液浸法和電磁耦合法。二、超聲波探傷的原理及方法直探法就是縱波探傷，主要用于探測與工件表面平行的缺陷。斜探法就是橫波探傷，主要用于探測與工件表面垂直或成某一角度的缺陷。脈沖反射法探傷是利用由脈沖反射式的超聲波探傷儀發射的超聲波，在兩種不同介質的表面上發生反射作用，并將反射回來的超聲波接收放大，在熒光屏上以可見光的形式顯示出來，來達到探傷的目的。液浸法，利用此方法檢測鋼管、鍛件的缺陷，如圖所示。單（雙）探頭檢測焊縫的方法如圖所示。（a）全浸沒式（b）噴液式（c）通水式（d）滿溢式水浸（噴水）法檢測鋼管、鍛件二、超聲波探傷的原理及方法（一）穿透法穿透法是最早采用的超聲波探傷法，也叫透射法，其基本原理是，先將兩個探頭分別置于被測工件的兩個相對面，一個探頭發射超聲波，超聲波即透射過被測工件而被另一面的探頭所接收。若被測件內有缺陷存在，由于缺陷可引起超聲波的衰減，因此透射過的超聲波的能量減少，根據能量減少的程度可判斷缺陷的大小。穿透法分為連續穿透法和脈沖穿透法兩種。脈沖穿透法（如圖）的優點是，不存在探測盲區，判定缺陷方法簡單，適用于連續的自動化探測較薄的工件；其缺點是，探傷靈敏度低，分辨率差，不能確定缺陷的深度位置，一般需要專用的探頭夾持裝置（a）無缺陷（b）有小缺陷（c）有大缺陷二、超聲波探傷的原理及方法（二）脈沖反射法超聲波以持續極短的時間發射脈沖到被檢測工件內，當遇到缺陷和底面就會產生反射，根據反射波的情況來檢測工件的方法稱為脈沖反射法，它是目前應用最廣泛的一種超聲波探傷法。脈沖反射法可分為垂直探傷法和斜角探傷法兩種。根據探傷波形進行判斷的探傷，稱為缺陷回波法（也稱為二次回波法），該方法是脈沖反射法的基本方法。當工件完好時，超聲波可以順利到達工件底面，在工件底面光滑且與探傷平面平行的條件下，探傷波形中只有發射脈沖T及底面回波B兩個信號。若工件中存在缺陷，在探傷波形中，底面回波前面會出現表示缺陷的回波，如圖所示。缺陷回波探傷的基本原理二、超聲波探傷的原理及方法1.

垂直探傷法使超聲波垂直進入工件進行探傷的方法稱為垂直探傷法。當被測件無缺陷時（圖2-10），示波屏上只有始波T和底波B，當被測件中有小缺陷時，示波屏上除始波和底波外，還有缺陷波F，當被測件中的缺陷大于聲束直徑時，示波屏幕上只有始波和缺陷波，底波消失。脈沖反射式垂直探傷法（a）無缺陷（b）有小缺陷（c）有大缺陷二、超聲波探傷的原理及方法2.

斜角探傷法超聲波以一定的角度（大于0）進入工件，超聲波與探測面成一定的角度的傳播方式進行探傷的方法稱為斜角探傷法。當被測工件無缺陷時（如圖），示波屏上只有始波T，被測工件有缺陷時，示波屏上除了有始波外，還有缺陷波F。缺陷處的衍射現象二、超聲波探傷的原理及方法（三）衍射時差法（TOFD）衍射時差法（TOFD）是利用缺陷部位的衍射波信號來檢測和測定缺陷尺寸的一種超聲檢測方法，通常使用縱波斜探頭，采用一發一收模式。缺陷處的衍射現象如圖所示。缺陷處的衍射現象二、超聲波探傷的原理及方法（三）衍射時差法（TOFD）TOFD方法一般將探頭對稱分布于焊縫兩側。在工件無缺陷部位，發射超聲脈沖后，首先到達接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波和底面反射波之間接收探頭還會接收到缺陷處產生的衍射波（圖2-13）。除上述波外，還有缺陷部位和底面因波形轉換產生的橫波，因為速度小于縱波，因而一般會遲于底面反射波到達接收探頭。缺陷處A掃描信號二、超聲波探傷的原理及方法（1）主要優點：缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關，缺陷檢出率高；超聲波束覆蓋區域大；缺陷高度測量精確；實時成像，分析快速；缺陷的定量不依賴于缺陷的回波幅度；快速、安全、方便。（2）局限性：由于T0FD的直通波和底面反射波均有一定的寬度，處于此范圍的缺陷波難以被發現，因此在掃查面和底面存在幾毫米的表面盲區；TOFD信號較弱，易受噪聲影響；傾向于“過分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，如氣孔、夾層等；TOFD數據分析對檢測人員要求高。三、超聲波探傷設備超聲波探傷儀是根據超聲波的傳播特性和電聲轉換原理，利用電子技術而制造的。超聲波探傷儀的種類很多，有模擬式和數字式，有通用式和專用式，有固定式和便攜式，有單通道和多通道等。超聲波探傷器（儀）是超聲波探傷的重要設備，雖型號不一，但其基本結構均包括高頻脈沖發生器、換能器（探頭）、接收放大器和指示器4部分。超聲波探傷儀是超聲波探傷的主要設備，它的作用是產生電振蕩并加于探頭（或稱為換能器），激勵探頭發射超聲波，同時將探送回的電信號進行放大，通過一定方式顯示出來，從面得到被探工件內有無缺陌及缺陷位置和大小等信息。三、超聲波探傷設備（一）模擬式超聲波探傷儀1.

工作原理A型顯示脈沖反射式模擬式超聲波探傷儀的種類很多，功能不一，但基本電路和工作原理大致相同。它們一般都由同步、發射、掃描、接收、顯示、電源、輔助單元（報警和深度補償）和探頭組成。A型脈沖反射式超聲波探傷儀的結構如圖所示A型脈沖反射式超聲波探傷儀組成三、超聲波探傷設備1.

工作原理A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀的工作流程如下：同步電路產生的觸發脈沖同時加至掃描電路和發射電路，掃描電路受觸發開始工作，產生鋸齒波掃描電壓，加至示波管水平偏轉板上，使電子束發生水平偏轉，在熒光屏上產生一條水平掃描線。與此同時，發射電路受觸發將高頻窄脈沖加至探頭上，激勵壓電晶片振動產生超聲波。超聲波在工件中傳播，遇缺陷或底面發生反射，超聲波返回探頭時，又被壓電晶片轉換為電信號，經接收電路大和檢波，加至示波管垂直偏轉板上，使電子束發生垂直偏轉，在水平掃描線的相應位置上產生缺陷波F和底波B（T為發射脈沖），根據缺陷波的位置可以確定缺陷埋藏的深度根據缺陷波的幅度可以估算出缺陷的當量大小。三、超聲波探傷設備2.

主要性能水平線性：探傷儀熒光屏時間或距離軸上顯示的信號與輸入接收信號成正比關系的程度。垂直線性：探傷儀熒光屏上顯示的信號幅度與輸入接收器的信號幅度成正比關系的程度。動態范圍：在增益調節不變時，探傷儀熒光屏上能分辨的最大與最小反射波高之比，即反射波高從100%到消失所需要的衰減量。靈敏度余量：超聲探傷系統中，以一定電平表示的標準缺陷探測靈敏度與最大探測靈敏度之間的差值，其含義是儀器和探頭組合檢測最小缺陷的能力。分辨力：有效辨別兩個緊密相鄰不連續的能力。盲區：在一定探傷靈敏度下，從探測面到最近可探缺陷在被檢工件中的深度。電噪聲電平：熒光屏上電噪聲平均幅度在垂直刻度上的百分比。三、超聲波探傷設備（二）數字式超聲波探傷儀數字式超聲波探傷儀是計算機技術和超聲探傷儀技術相結合的產物。它是在模擬式超聲探傷儀的基礎上，采用計算機技術實現儀器功能的精確和自動控制、信號獲取和處理的數字化和自動化、檢測結果的可記錄性和可再現性。因此，它具有模擬式超聲探傷儀的基本功能，同時又增加了數字化帶來的數據測量、顯示、存儲與輸出功能。近年來，數字式儀器發展很快，有逐步取代模擬式探傷儀的趨勢。所謂數字式超聲探傷儀，主要是指發射、接收電路的參數控制和接收信號的處理、顯示均采用數字式方式的儀器。不同的制造商生產的數字式超聲探傷儀，可能會采用不同的電路設置，保留的模擬電路部分也不相同。但最主要的一點是，探頭接收的超聲信號需經模-數轉換、數字處理后顯示出來。三、超聲波探傷設備1.

數字式與模擬式超聲探傷儀的異同（1）基本組成典型A型脈沖反射式數字式超聲探傷儀的電路如圖所示。從它的基本構成來看，數字式儀器發射電路與模擬式儀器是相同的，接收放大電路的前半部分，包括衰減器和高頻放大器等，與模擬式儀器也是相同的數字式超聲波電路三、超聲波探傷設備（2）儀器的功能從基本功能來看，數字式儀器可提供模擬式儀器具有的所有功能，但各部分功能的控制方式是不同的。在模擬式儀器中，操作者直接撥動開關對儀器的電路進行調整，而在數字式儀器中，則要通過人機對話，用按鍵或菜單的方式，將控制數據輸入給微處理器，然后由微處理器發出信號控制各電器的工作。微處理器還可以按照預先設定的程序，自動對儀器進行調整，這就給自動檢測系統提供了極大的方便。1.

數字式與模擬式超聲探傷儀的異同三、超聲波探傷設備（3）儀器的性能從影響儀器性能的最基本的部分發射電路和接收電路來看，數字式儀器與模擬式儀器是相同的，儀器的靈敏度、分辨力、放大線性等差別不大，最主要的差別是數字式儀器中的模-數轉換、信號處理和顯示部分。模-數轉換（又稱A/D轉換）是通過對連續變化的模擬信號進行高速度、等間隔的采樣，將其變換為一列大小變化的數字量的過程（如圖）。1.

數字式與模擬式超聲探傷儀的異同模-數轉換示意圖三、超聲波探傷設備數字式超聲波探傷儀的優勢與問題數字式儀器與模擬式儀器相比的優勢在于：接收信號的數字化使超聲信號的存儲、記錄再現十分方便，改變了傳統超聲檢測缺乏永久記錄的缺點，同時，也方便了信號的分析與處理，從而可從接收的超聲信號中得到更多的量化信息；顯示器不需要傳統的示波管，使得儀器可小型化；儀器參數的數字式控制使檢測參數可以存儲、檢測過程的重現方便；還便于實現遙控等功能，為自動檢測系統提供了更方便的條件。數字化使儀器功能可用軟件不斷擴展，可實現使一臺儀器滿足不同使用者的需求。但是，數字式儀器也有一些不利因素，因其模-數轉換器的采樣頻率、數據長度、顯示器的分辨率、刷新速度等帶來的信號失真，可能對檢測信號的評價帶來一定的影響。在使用數字式儀器時，必須對這些因素加以考慮，以免造成缺陷的漏檢誤檢等問題。四、超聲波探傷儀的探頭（一）探頭的作用超聲波的探傷中，超聲波的發射和接收是通過探頭來實現的。探頭的作用是將電能裝換為超聲能（產生超聲波）或將超聲波轉換成電能。常用于制作超聲探頭的壓電材料主要有石英、硫酸鋰和鋯鈦酸鉛。超聲波的產生與接收過程是：當探傷儀發射電路產生的高頻脈沖加于探頭時，激勵壓電晶片發生高頻振動，產生超聲波；相反，當超聲波傳至探頭而使晶片發生高頻振動時，晶片就產生高頻電振蕩，送至探傷儀接收電路，經放大與檢波，在示波管上顯示出波形，因此，探頭是利用壓電晶片的逆壓電效應產生超聲波，同時利用壓電晶片的正壓電效應接收超聲波。四、超聲波探傷儀的探頭1.

直探頭波束垂直于被探測工件表面入射的探頭稱為直探頭。它用來發射和接收縱波，一般用于手工操作接觸法探傷，這種探頭既適合于單探頭反射法，也適合于雙探頭穿透法。它由壓電晶片、阻尼塊、保護膜、殼體、高頻接頭、地線（電纜線）等基本元件組成，如圖所示。（二）探頭的種類直探頭的結構l 壓電晶片是探頭的核心元件，用來發射與接收超聲波。l 阻尼塊伏貼在壓電晶片后面，用來吸收晶片的慣性振動與輻射聲能。l 保護膜用來保護壓電晶片與電極，以防止其磨損與碰壞。l 殼體一般由金屬或塑料制成。四、超聲波探傷儀的探頭2.

斜探頭利用透聲模塊使聲束傾斜于工件表面射入工件的探頭，稱為斜探頭。以射入角的不同，可在工件中產生縱波、橫波和表面波。通常所說的斜探頭是指橫波斜探頭，斜探頭主要由壓電晶片、透聲斜楔塊、吸聲材料、接頭和殼體等組成，如圖2-18所示。（二）探頭的種類斜探頭的結構四、超聲波探傷儀的探頭（二）探頭的種類斜探頭根據聲束入射角的不同，會在工件中產生折射角不同的橫波。橫波斜探頭的標稱方式有3種。（1）以縱波入射角作為標稱，有30°、45°、50°和55°。（2）以鋼中的橫波折射角作為標稱，有40°、45

°.50

°

60

°和70

°等。（3）以銅中的折射角正切值（K）作為標稱，常用探頭的K值有1、1.5、2、2.5和3。有機玻璃斜探頭的入射角與在鋼中的橫波折射角的關系見表2-3，K值與折射角的關系見表2-4。四、超聲波探傷儀的探頭入射角30

45

50

55

折射角36

57

65

76

表2-3

有機玻璃斜探頭的入射角與在鋼中的橫波折射角的關系表2-4

K值與鋼中的橫波折射角的關系K11.522.53折射角45

56

63

68

72

四、超聲波探傷儀的探頭雙晶探頭的結構4.

雙晶探頭雙晶探頭又稱為聯合雙探頭或分割式TR探頭，它有兩個壓電晶片，裝在同一個殼體內。一個晶片發射，另一個晶片接收，兩個晶片之間用隔聲層隔開，防止發射聲波直接傳入接收晶片。晶片前面帶有有機玻璃延遲塊，使聲波延遲一段時間進入工件由于發射和接收分開，并且使用了延遲塊，所以大大減少了盲區，利于近表面缺陷的探測。典型雙晶探頭的結構如圖所示（二）探頭的種類3.表面波探頭表面波探頭是斜探頭的一個特例。當斜探頭入射角等于第二臨界角時，由波形轉換器得到沿被探測材料表面傳播的表面波，這種斜探頭稱為表面波探頭。（注：當第二介質中的橫波波速大于第一介質中的縱波波速時，才會出現第二臨界角）四、超聲波探傷儀的探頭（二）探頭的種類5.探頭主要部件的作用（1）壓電晶片壓電晶片具有電能和聲能相互轉換的功能，將電能轉變成聲能（發射）是逆壓電效應作用，將聲能轉變成電能（接收）是正壓電效應作用。壓電晶片的材料有石英、硫酸鋰等單晶材料和鈦酸鋇、鈦酸鋁等壓電陶瓷材料。用石英材料做晶片的探頭，其特點是：電性能和機械性能最穩定，因此標準探頭均用石英晶片制作，其居里點高（570°C），能在高溫下工作，但電聲轉換率差，靈敏度較低。鋼軌探傷所用的探頭晶片多數采用鈦酸鉛壓電陶瓷材料制作而成。壓電晶片的振動頻率，即探頭的工作頻率f取決于晶片厚度Tg，以及超聲波在晶片材料中的傳播速度c，它們之間的關系式：f＝c/2Tg。由上式可知，晶片的振動頻率與晶片厚度呈反比關系，即晶片厚度越薄，振動頻率越高；反之，晶片越厚，振動頻率越低。四、超聲波探傷儀的探頭（二）探頭的種類5.探頭主要部件的作用（2）阻尼塊與晶片或楔塊組合具有高阻尼效率的塊狀物體稱為阻尼塊，其作用是阻止晶片的慣性振動和吸收晶片背面輻射的聲能，以減小脈沖寬度和雜信號干擾。通常用鎢粉和環氧樹脂或其他特種材料按一定比例配制而成。（3）保護膜為使探頭與工件接觸移動中不損壞晶片，常在晶片前面附一層保護膜。保護膜有硬質保護膜（如陶瓷、金屬片等）和軟質保護膜（如有機玻璃、聚氨酯薄膜、尼龍等），硬質保護膜雖耐磨，但耦合條件要求高，透聲性能差。軟質保護膜一般比硬質保護膜的適聲性能高3～5倍，且具有較好的耦合條件，為此對探測面光潔度較差的工件多數使用軟質保護膜。鋼軌探傷使用的探頭保護膜一般選用尼龍1010材料，其衰減系數約為5 dB/cm，具有良好的透聲性。四、超聲波探傷儀的探頭（二）探頭的種類5.探頭主要部件的作用（4）連接線探頭須用高頻電纜與探傷儀連接，常用同軸電纜作高頻電纜，其作用是為消除外來電波對探頭內激勵脈沖和回波脈沖的干擾，同時防止高順脈沖以電波形式向外輻射，但這種電纜比一般電纜脆弱，彎曲過大易損壞，使用時應多加注意。（5）斜楔塊斜探頭與直探頭的不同就是多了一塊透聲的斜楔塊，其作用是產生波形轉換和改變聲束傳播方向，它可以將縱波轉換成橫波或表面波或板波，轉換后的波形種類取決于斜楔塊的傾角和組成界面（楔塊和工件或耦合層）的兩種介質聲速。為降低斜楔內返回晶片的聲能，常在斜楔塊前端和上部制作成齒狀的消聲槽，以減少楔塊內反射造成的雜波干擾。斜鍥塊常用材料是有機玻璃，它具有加工方便、衰減系數適宜的優點。四、超聲波探傷儀的探頭（二）探頭的種類5.探頭主要部件的作用（6）延遲塊為使超聲發射脈沖持續時間等影響落在延遲過程中，而附加在探頭晶片前的透聲材料稱為延遲塊。如雙晶片直探頭前的塊狀物體，常用有機玻璃制作，它加工方便，透聲效果較好，還可以根據探測的需要將兩塊延遲塊制成一定的傾角，使聲束能量集中在需要重點探測的區域內。如鋼軌探傷中37°探頭和0°探頭的聲束交區一般聲程為80～100mm，這樣有利于對螺孔裂紋的探測。（7）隔聲層雙晶片探頭中為使接收晶片和發射晶片在聲路上分割開來，在兩片晶片之間夾一吸聲性強的隔片，該隔片稱為隔聲層。常用軟木制成，它具有價格便宜、隔聲效果好的優點。如果隔聲層不良則會產生信號泄漏現象，超聲信號穿過預設隔聲層，進入接收放大電路，會產生異?；夭@示，干擾對探傷回波的識別。四、超聲波探傷儀的探頭（三）探頭的型號編制和性能定義探頭型號的組成項目及其排列順序規定如下：壓電材料鋯鈦酸鉛陶瓷代號壓電材料代號P鈮酸鋰單晶L鈦酸鋇陶瓷B碘酸鋰單晶I鈦酸鉛陶瓷T石英材料Q其他壓電材料N（1）基本頻率：用阿拉伯數字表示，單位為MHz。（2）壓電材料：用化學元素縮寫符號表示，見下表。壓電材料用化學元素縮寫符號表示四、超聲波探傷儀的探頭（三）探頭的型號編制和性能定義（3）晶片尺寸：用阿拉伯數字表示，單位為mm。其中圓形晶片用直徑表示；方形晶片用長寬表示；分割探頭用分割前的晶片尺寸表示。（4）種類：用一個或兩個漢語拼音縮寫字母表示（見下表），其中直探頭可以不標出。種類表示代號種類直探頭代號種類代號Z表面波探頭BM斜探頭（用K值表示的）K可變角探頭KB斜探頭（用折射角表示的）X水浸探頭SJ分割探頭FG四、超聲波探傷儀的探頭（三）探頭的型號編制和性能定義（5）特征：斜探頭鋼中折射角正切值（K值）和折射角用阿拉伯數字表示，折射角單位為 。分割探頭鋼中聲束交區深度用阿拉伯數字表示，單位為mm，分割直探頭和分割斜探頭分別用漢語拼音字母Z和X作為代號。例2：例1：四、超聲波探傷儀的探頭（四）探頭的選擇探頭的選擇包括探頭的形式、頻率、晶片尺寸和斜探頭K值的選擇。1.

探頭形式的選擇根據被測工件的形狀和缺陷可能出現的位置、方向等條件來選擇探頭的種類，使聲束軸線盡量與缺陷相垂直。直探頭只能發射和接收縱波，波束軸線垂直于探測面，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊等缺陷。斜探頭是通過波形轉換來實現橫波探傷的，主要用于探測與探測平面垂直或呈一定角度的缺陷，如焊縫中的未焊透、夾渣和未熔合等缺陷。表面探頭用于探測工件表面的缺陷，雙晶探頭用于探測工件近表面的缺陷。四、超聲波探傷儀的探頭（四）探頭的選擇2.

探頭頻率的選擇探頭頻率的高低對探傷影響較大。超聲波探頭的頻率一般選擇在0.5～10

MHz。探頭頻率高，則指向性好、靈敏度和分辨率高，對探傷有利。但探頭頻率太高，會增大近場區長度（波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區長度），衰減也大，對探傷不利。一般來說，在保證探傷靈敏度的前提下，應盡可能選擇較低的頻率。對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊件等，一般選用較高的探頭頻率，常采用2.5～5.0MHz的頻率。對于晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等，一般選用較低的探頭頻率，常采用0.5～2.5

MHz的頻率。如果探頭頻率過高，會引起嚴重衰減，示波屏上會出現“林狀回波”，信噪比下降，甚至無法探傷。四、超聲波探傷儀的探頭（四）探頭的選擇3.

探頭晶片尺寸的選擇探頭晶片的尺寸大小對聲束指向性、近場區長度、近距離和遠距離掃描范圍、缺陷查出能力有較大的影響。實際探傷中，當探測探傷面積范圍大的工件時，為了提高探傷效率宜選擇大晶片探頭；當探測探傷厚度較大的工件時，為了有效地發現遠距離的缺陷，也宜使用大晶片探頭。當探測小型工件時，為了提高缺陷定位定量精度，宜選用小晶片探頭。當探測探傷表面不太平整、曲率較大的工件時，為了減少耦合損失，宜選用小晶片探頭。四、超聲波探傷儀的探頭（四）探頭的選擇4.

橫波斜探頭K值的選擇在橫波斜探傷中，探頭的K值對探傷的靈敏度、聲束軸線的方向、一次波的聲程（入射點至底面反射點的距離）有較大的影響。在實際探傷中，當工件厚度較小時，應選擇較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區探傷；當工件厚度較大時，應選擇較小的K值，以減小聲程過大引起的衰減，便于發現較深處的缺陷。在焊縫探傷中，還要保證主聲束能掃查整個焊縫截面。對于單面焊接根部未焊透，還要考慮端角反射問題，應使K值為0.7～0.5，因為當K<0.7或K>1.5時，端角反射率很低，容易引起漏檢。五、超聲波探傷在鐵道機車車輛上的應用（一）對輪座的探測方式（1）對輪座鑲入部用大角度斜探頭從軸頸探測或從車輪內側軸身上探測，如圖2-20所示。這種方法采用橫波探傷，易于發現小的缺陷，也易于確定缺陷的位置。（2）對輪座鑲入部用小角度斜探頭從軸端面探測。（3）用直探頭從軸端面對車軸進行穿透檢查，以確定車軸是否透聲良好，《鐵道車輛輪軸探傷工藝規程》中規定直探頭晶片直徑應為20

mm。超聲波探測輪座時探頭的位置五、超聲波探傷在鐵道機車車輛上的應用（二）超聲波探傷輪對的主要過程1.

校驗儀器性能每日開工前應檢查探傷儀的技術狀態。（1）接通電源打開儀器后，首先連接好探頭和探頭連接線。（2）調節儀器的水平旋鈕和垂直旋鈕，使時間基線與水平刻度線重合，始波前沿對準刻度0。（3）調節輝度旋鈕，使熒光屏亮度適中。（4）調節聚焦旋鈕和輔助聚焦旋鈕，使時間基線清晰。（5）將儀器其他各部位的旋鈕置于適當位置。（6）使用標準試塊標定測距，確定探傷靈敏度，并在半軸實物試塊上進行當量對比檢驗。五、超聲波探傷在鐵道機車車輛上的應用（二）超聲波探傷輪對的主要過程對輪對進行外觀檢查外觀檢查輪對有無故障跡象，鋼印是否符合超聲波探傷條件。估計探頭在車軸上放置的位置并涂耦合劑（1）采用小角度縱波探頭時，探頭置于軸端面，應在頂針孔與軸端外圈之間涂耦合劑。（2）采用大角度橫波探頭時，探頭在軸頸或輪座內側沿軸向移動。以40°斜探頭為例，超聲波在車軸內的折射角約為50°，由下式計算出：sin

鋼內橫波速度

sin

40

3

230

0.642

8

0.769有機玻璃內縱波速度 2

700五、超聲波探傷在鐵道機車車輛上的應用（二）超聲波探傷輪對的主要過程4.

探傷操作在軸端面用小角度探頭或直探頭探傷時，探頭應沿軸端面半徑方向往復運動，同時輪對緩慢轉動。探頭在軸端移動的軌跡按軸型分別參照下圖（a）、（b）、（c）所示的3種情況。（a）滑動軸承輪對 （b）滾動軸承輪對 （c）軸端大螺母輪對各型輪對探傷檢查時探頭在軸端移動的軌跡示意圖五、超聲波探傷在鐵道機車車輛上的應用（二）超聲波探傷輪對的主要過程用大角度探頭探傷，探頭應沿軸頸或軸身表面母線往復運動，同時輪對緩慢轉動。探頭移動的區域按軸型參照下圖（a）、（b）所示的兩種情況。（a）滑動及退下軸承（或內圈） （b）不退軸承（或內圈）探傷檢查時滾動軸承輪對斜探頭移動區域及軌跡（沿軸頸或者軸身表面往復移動）任務三電磁探傷無損檢測一、電磁探傷的原理鐵磁性材料在磁場中被磁化后，其缺陷處會產生漏磁，電磁探傷就是根據這個原理來發現鐵磁性材料的缺陷的。例如，當對某一零件沿軸向方向通以電流時，在這個零件中將產生封閉的磁力線，磁力線通過截面大小不一的鐵磁性材料時，磁力線的密度也隨之改變，由于其他物質（如空氣、非金屬夾雜物等）的磁導率比鐵磁性材料的磁導率小得多（相差懸殊，一般鐵磁性材料的磁導率是空氣、非金屬夾雜物磁導率的102～104倍），因而，零件表面或近表面處有裂紋、氣孔或雜物等缺陷時，將阻礙磁力線通過，即磁阻增大，磁力線會產生彎曲現象漏磁現象試驗一、電磁探傷的原理漏磁場：磁力線離開表面又進入工件表面的地方有漏磁場產生。漏磁場的大小取決于磁力線與缺陷的相對位置，分3種情況：（1）磁力線與缺陷垂直，漏磁場最強，有利于檢出缺陷。（2）磁力線與缺陷平行或夾角在0～45°，漏磁場最弱，不能檢出缺陷。（3）磁力線與缺陷的夾角為45°～90°，可檢出缺陷，但靈敏度降低。一、電磁探傷的原理讓我們做一個實驗來說明（見右圖）。取一個矩形軟鐵心，繞若干線圈導線，在線圈中通以電流，鐵心中會產生磁力線，這時如果用鐵棒去接近它，可發現鐵心對鐵棒并沒有吸力，但如果在矩形鐵心的某一邊有一裂口，則在此裂口處便產生磁力，這是由于有了裂口而出現了兩個不同極性的磁極，從而在兩個磁極處產生漏磁，形成漏磁場的緣故。電磁探傷基本原理一、電磁探傷的原理從電磁探傷實踐中得到的結論：（1）缺陷的磁導率越小，則漏磁場強度越強。（2）外加磁場強度的大小是決定漏磁場強度的關鍵。只有當外加磁場能磁化被探測零件，其磁感應強度B（或Br）≥800Gs時，才能在微小缺陷處產生較強的漏磁通，吸引磁粉，呈現出缺陷的磁痕。（3）缺陷越深，漏磁場強度越大，磁粉堆積越多，缺陷顯示越清晰。（4）缺陷在表面時漏磁通大，缺陷在表面以下時漏磁通顯著變小，而位于表面以下很深的地方，則幾乎沒有漏磁通泄漏于空間中。（5）磁力線與缺陷趨向越接近垂直，產生的漏磁通越強。若磁力線與缺陷趨向接近平行，則不產生漏磁通。一、電磁探傷的原理電磁探傷的具體適用范圍如下：（1）適用于鐵磁性材料：碳鋼、合金結構鋼、電工鋼、馬氏體不銹鋼、沉淀硬化鋼，不適用于檢測非鐵磁性材料，如銅、鋁、鎂、鈦及其合金，奧氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼焊條焊接的焊縫。（2）適用于原材料檢驗（管材、棒材、板材、型材）、半成品檢驗、成品檢驗（焊接件、鑄件、鍛件）、在役檢驗（如車軸）。（3）適用于檢驗工件的表面和近表面缺陷，如裂紋、白點、發紋、氣孔、夾雜、折疊等。（4）不適用于檢測表面淺而寬的缺陷、針孔、埋藏深度較深的缺陷以及與表面夾角小于20°的分層。二、電磁探傷的方法1.

周向磁化法周向磁化是指給工件直接通電，或者使電流流過貫穿空心工件孔中的導體。目的：在工件中建立一個環繞工件的，并與工件軸垂直的周向閉合磁場，用于發現與工件軸平行的縱向缺陷，即與電流方向平行的缺陷。根據被檢工件的形狀和大小，周向磁化方法又可分為直接通電法、中心導體法、觸頭法和平行電纜法等多種。（一）磁化方法二、電磁探傷的方法1）軸向通電法軸向通電法是將工件直接通以電流，使工件周圍和內部產生周向磁場，如圖所示。1—工件；2—電流；3—磁力線；4—電極。軸向通電法2）中心導體法對于管件和環形工件的縱向缺陷，可采用中心導體法，如圖所示。1—工件；2—電流；3—磁力線；4—電極；5—心桿。圖2-26

環形工件的中心導體法二、電磁探傷的方法3）觸頭法觸頭法是一種局部磁化法，如圖所示，它使用一對圓錐形的銅棒作為兩個通電電極，銅棒的一端通過電纜與電源連接，另一端與工件接觸。通電后，電流通過兩個觸頭施加在工件表面，形成以觸頭為中心的周向磁場。觸頭法4）平行電纜法平行電纜法常用來對焊縫做周向磁化以探測工件上的縱向裂紋，如圖所示。平行電纜法二、電磁探傷的方法2.

縱向磁化法縱向磁化法是指在被檢工件中建立起沿其軸向分布的縱向磁場的磁化方法，其目的是檢測取向基本與工件軸向垂直的缺陷。1）線圈法如圖所示，線圈法對工件進行磁化后，所產生的磁力線與工件的軸線平行，常用來檢測與工件或焊縫軸線垂直的缺陷。線圈法二、電磁探傷的方法2）磁軛法磁軛法用于檢測焊縫中的縱向缺陷，適合于焊接件及各種大、中型工件的局部檢測，如圖所示。磁軛法3.

多向磁化法多向磁化法是指通過復合磁場，在工件中產生一個大小和方向隨時間成圓形、橢圓形或螺旋線變化的磁場，因為磁場的方向在工件上不斷地變化，所以可發現工件上所有方向的缺陷，如圖所示。交叉磁軛的結構二、電磁探傷的方法（二）退磁及后處理1.退 磁退磁就是將工件內的剩磁減少到零或最小的操作過程，使剩磁對工件的使用性能不產生不利影響。下述幾種情況必須進行退磁：（1）需要再次進行磁粉檢測的工件，而前一次檢測留下的剩磁對工件以后的磁化有影響。（2）工件上的剩磁對以后的機械加工會造成困難。（3）工件上的剩磁對測量儀器的操作或精度會造成不良影響。（4）軸承、軸套、齒輪等配合良好的運動件，如有剩磁存在，會吸引金屬微粒，加快工件的磨損而損壞。二、電磁探傷的方法（二）退磁及后處理退磁原理退磁就是使構件內的剩磁減為零，也就是打亂構件內由于磁化而取向一致排列的磁疇，從而使之恢復到未磁化前的雜亂無章的狀態，最終使工件對外不再顯示磁性。退磁的方法是加以反向外磁場，并交替變化且逐漸減弱至零，于是剩下磁場被逐步減弱直至變為零，總的來說，退磁后剩磁場的磁感應強度不大于3Gs。退磁方法（1）交流退磁法。常用的交流退磁法是把工件放入通以交流電的退磁線圈中，然后將工件通過并逐漸離開線圈至1.5m外，或者將工件放入退磁線圈中不動，而逐漸將電流降低到零，即可實現退磁。（2）直流退磁法。用直流電產生的磁場對工件進行退磁的方法，稱為直流退磁法。直流電退磁時，既要不斷變換電流的方向，同時又要逐漸減小電流強度。二、電磁探傷的方法（二）退磁及后處理4.

后處理經退磁檢測的工件要進行后處理。對檢驗合格的工件，要去除工件表面殘留的磁粉、磁懸液，如果使用水磁懸液，清洗后應進行脫水防銹處理。經檢驗不合格的工件應另外存放，并在工件上標記缺陷的位置和尺度范圍，以便進一步驗證和返修。對于無法返修的報廢品，應在檢測報告中注明其數量，對主要缺陷（報廢原因）進行定性、定量、定位分析。如有可能，還要對缺陷產生原因進行分析，提出防止缺陷的意見和建議。三、磁粉探傷程序（一）預處理（1）用化學或機械方法徹底清除工件表面的油污、鐵銹、毛刺、氧化皮、金屬屑和砂粒等。（2）有非導電覆蓋層的工件通電磁化時，必須將與電極接觸部位的非導電覆蓋層打磨掉，以避免因接觸點接觸不良而產生電弧燒傷被檢表面。（3）若工件有盲孔和內腔，磁懸液流進后難以清洗，探傷前應將孔洞用非研磨性材料封堵上。（4）如果磁痕和工件表面顏色對比度小，可在探傷前先給工件表面涂敷一層反差增強劑。三、磁粉探傷程序（二）工件磁化按前面內容選擇適當的磁化方法、確定磁化電流種類、確定磁化方向及磁化規范，利用磁粉檢測設備使工件帶有磁性，產生漏磁場進行磁粉探傷。（三）施加磁粉或磁懸液先用磁懸液潤濕工件表面，在通電磁化的同時澆磁懸液：一般通電時間為1～3

s，停止澆磁懸液后再通電數次，待磁痕形成并滯留下來時停止通電，進行檢驗。對工件通電磁化后撒磁粉，并在通電的同時吹去多余的磁粉，待磁痕形成和檢驗完畢再停止通電。磁粉在通電結束后施加，一般通電時間為1/4～1

s。濕連續法操作要點干連續法操作要點剩磁法操作要點三、磁粉探傷程序1.

磁痕的觀察分析要求對磁痕的觀察分析一般應在磁痕形成后立即進行，觀察時可以使用2～10倍的放大鏡。使用非熒光磁粉檢驗，必須在能夠充分識別磁痕的日光或白光照明下進行，在被檢工件表面的白光照度不應低于1

500lx。使用熒光磁粉檢驗，要求被檢表面上的紫外線（黑光）照度不低于970lx，且白光照度不大于10lx。（四）磁痕的觀察分析與記錄三、磁粉探傷程序（四）磁痕的觀察分析與記錄磁痕分析的內容磁痕分析是指確認磁粉探傷所發現的磁痕顯示屬于偽顯示、相關顯示或非相關顯示。（1）相關顯示（真實顯示）。由缺陷產生的漏磁場形成的磁痕顯示稱為相關顯示。（2）非相關顯示。非相關顯示就是非缺陷所引起的漏磁場對磁粉的積聚引起的磁痕顯示，如工件截面突變、工件內鍵槽等部位，兩種材料交界處，如用奧氏體鋼焊接鐵磁性材料，在焊縫上就會產生磁痕顯示。（3）偽顯示。非漏磁場形成的磁痕顯示稱為偽顯示，如焊縫兩側的凹陷、粗糙的工件表面滯留磁粉形成的磁痕顯示，工件表面有油污黏附磁粉形成的磁痕顯示。磁痕的記錄磁痕記錄一般采用照相、用透明膠帶貼印、涂層剝離、橡膠鑄型復印、摹繪等方法。三、磁粉探傷程序（五）退 磁退磁就是采用專門工藝使工件中的剩磁強度減小到不影響其正常使用的程度。常用的退磁方法有交流退磁法和直流退磁法。（六）后處理（1）清洗工件表面，包括孔中、裂縫和通路中的磁粉。（2）使用水磁懸液檢驗時，為防止工件生銹，可用脫水防銹油處理。（3）如果使用封堵，應去除。（4）對工件進行標記，不合格工件應隔離。四、機車電磁探傷的設備（一）手提式電磁探傷器手提式電磁探傷器一般小巧、輕便、結構簡單，其輸出電流不大，多用于檢查零件表面的缺陷。最常用的有兩種，即閉合環形電磁探傷器和開合馬蹄形電磁探傷器，如圖所示。閉合環形電磁探傷器開合馬蹄形電磁探傷器四、機車電磁探傷的設備（一）手提式電磁探傷器1.

閉合環形電磁探傷器這種探傷器的構造比較簡單，是由直徑4

mm的兩根并排的裸銅線包以絕緣材料（白布帶）繞成閉合狀，再包白布帶，浸以絕緣漆，然后烘干，裝上一個手柄和兩顆接線銅螺絲而成，如圖所示。閉合環形電磁探傷器可用直流電源，也可用交流電源，其輸入電壓為4.5

V，電流為150～160A。閉合環形電磁探傷器的特點是輕便，使用時在距離探傷器中心兩側50

mm范圍以內的裂紋都可以清晰地顯示出來。閉合環形電磁探傷器四、機車電磁探傷的設備（一）手提式電磁探傷器2.

開合馬蹄形電磁探傷器這是機車檢修部門常用的一種多用電磁探傷器，如圖所示。這種探傷器的外形與卡鉗相似，又與馬蹄相似，它由兩個圓弧形的鐵臂組成，鐵心斷面為（20×30）mm2，兩臂上均繞有線圈，該線圈為2.3

mm2的雙紗包線繞120圈而成；臂的一端有一個支點（樞軸），臂頭制成與鉛垂線成32的斜坡，使臂頭與被探測工件成58角。開合馬蹄形電磁探傷器可用直流電源，也可用交流電源，其電壓為24

V或36

V，電流約為15A，功率為300W。在有的開合馬蹄形電磁探傷器上還裝有24

V照明燈及電源開關。開合馬蹄形電磁探傷器可用于局部縱向磁化探傷，也可用于局部周向磁化探傷。過去常用它檢查車軸、車輪、拱板等，現在主要用它檢查車鉤零件和客車轉向架的搖枕吊軸及吊銷等。開合馬蹄形電磁探傷器四、機車電磁探傷的設備（二）全磁探傷機1.

磁化裝置磁化裝置的主要結構示意圖如圖所示，鐵心3設置在輪對上部，下部與軸端對應處有探頭4，磁化時，探頭與軸端夾緊，構成閉合磁路。在鐵心上部繞有直流縱向磁化線圈1，可使車軸縱向磁化。在鐵心兩側設置了交流周向磁化變壓器2。鐵心3和探頭4既是直流縱向磁化的磁回路，也是周向磁化的電流回路，相當于交流周向磁化變壓器2的次級線圈。當初級線圈接通交流電時，在鐵心、探頭和車軸組成的回路中產生強大的交流電流，使車軸表面得到周向磁化。另外，其直流和交流電源中均設置有退磁控制電路。1—縱向磁化裝置；2—周向磁化裝置；3—鐵心；4—探頭。TYC-3000型熒光磁粉探傷機的結構四、機車電磁探傷的設備（二）全磁探傷機2.

顯示裝置顯示裝置的主要結構示意圖如圖所示，顯示裝置和磁化裝置都安置在暗幕里面。輸液泵1將磁懸液槽8中的磁懸液經過管路3輸送至換向閥7，再經管路到噴頭5，向車軸噴灑磁懸液，由車軸流下的磁懸液經輪對下部的回收裝置6流回磁懸液槽。暫時不向車軸噴磁懸液時，可通過控制裝置使換向閥7變換位置，使輸液泵來的磁懸液直接流回磁懸液槽，在輪對上方安置有紫外線燈，在輪對下方還安置有運送輪對和使輪對定位回轉的裝置。1—輸液泵；2—攪拌機；3，4—輸液管；5—噴頭；6—回收槽；7—換向閥；8—磁懸液槽。TYC-3000型熒光磁粉探傷機的顯示裝置四、機車電磁探傷的設備（二）全磁探傷機3.

操作過程當輪對進入暗幕后，操作可分為三個步驟：第一步，使輪對定位回轉，同時噴灑磁懸液，使磁懸液均勻覆蓋全軸；第二步，停止車輪回轉，探頭夾緊車軸通電磁化，這時如果車軸有裂紋等缺陷，產生的漏磁將把磁懸液中的磁粉吸引到缺陷的縫隙和表面，然后停止噴灑磁懸液，退磁，探頭松開，這時磁粉仍吸附在缺陷處；第三步，輪對重新回轉，紫外線燈照射車軸，操作者目視檢查車軸表面的缺陷，檢查完畢后將輪對送出暗幕。四、機車電磁探傷的設備（三）固定臺式探傷機固定臺式探傷機的體積一般都比較大，通常是固定在一個有起重設備的地方進行作業。TC-5000Z型探傷機就是固定臺式探傷機的一種，用于探傷檢查滾動軸承的主要零件，如滾動軸承內、外圈和滾子。拓展知識熱裂紋分為內熱裂紋與外熱裂紋。氣孔是鑄件表面或內部的一種小孔，其形狀有圓形的、長形的和不規則的。針孔也是一種氣孔，其形狀細長，一般都比較深，多在鑄件表面以下2～3mm處。卻較慢，造成表面與內部溫差過大，以至造成很大的鑄造應力，從而使鑄件表面某些薄弱處產生裂紋。（1）冷裂紋（2）熱裂紋（3）氣孔（4）針孔本部分內容主要介紹電磁探傷零件的常見缺陷及其顯示。一、零件上常見的缺陷及產生原因（一）制造過程中產生的缺陷1.

鑄造零件的缺陷鑄件澆鑄以后，在冷卻過程中，由于鑄件外表面冷卻過快而內部冷拓展知識縮松是指縮孔中較小的孔眼，即很多細小而不連續的縮孔聚集在一起，分布在鑄件內部。如果鑄件的某一部分或全部結晶組織都粗大，在晶粒間有無數很小的空隙，這種空隙就稱為疏松。如果鑄件表面含有砂粒，主要是由于砂型配置不良或砂型造得不好所產生的。大型鑄件凝固時，由于表面散熱較快先凝固，當鑄件表面凝固收縮時，鑄件內部（中心）尚未凝固，部分液體金屬便補充其收縮部分，待鑄件內部中心部分凝固收縮時，因無法充滿其原占據的體積而造成空洞，這種空洞稱為縮孔。（5）縮孔（6）縮松（7）疏松（

8

）

砂眼、渣眼、夾渣、夾砂1.

鑄造零件的缺陷拓展知識2.

鍛造零件的缺陷對于鍛造零件來說，需要探傷檢查的缺陷主要有下列幾種：（1）發線（發紋）這是鋼錠中的氣孔或細小的縮孔以及非金屬夾雜物等缺陷在鋼錠軋壓，鍛打變形時，沿軋、鍛方向延伸發展而成的一種毛細管狀的細小開裂，一般長度為0.06～15

mm，深度為0.06～0.10

mm，邊緣常有非金屬夾雜物，這種缺陷分布在鋼錠表面至皮下直徑1/10的范圍內，其中約70%在皮下。這種缺陷因加工后呈與鋼材軋壓方向一致的線紋狀，所以稱為發線或發紋（2）疤痕。這是氣孔被壓扁、經加工以后出現的一個圓形凹痕。（3）非金屬夾雜物。鋼錠在澆鑄以后，由于有非金屬夾雜物，如金屬與硫的化合物、金屬與氧的化合物以及爐渣或爐中脫落的爐襯、耐火材料等，澆鑄以后夾在鋼錠內部，經軋壓、鍛打以后，被碾成與壓延方向一致的片狀、條狀或線狀夾雜物，稱為非金屬夾雜物（簡稱夾灰）。大多數非金屬夾雜物呈黑色，略具明亮的脈絡狀或條狀。拓展知識2.

鍛造零件的缺陷（4）鍛造裂紋，它的形成與材料的變形程度以及材料內部的缺陷有關。①

鍛坯過燒時，晶界被氧化，呈網狀與龜裂狀的鍛造裂紋。②

鍛坯材料含銅高，在鍛造后銅在晶界上浮積，也出現龜裂狀的鍛造裂紋。③

鍛坯中若存有皮下氣孔時，在鍛造過程中，氣孔內壁形成的一層氧化膜不能使金屬焊合而形成鍛造裂紋。④

若鍛坯中有縮孔或夾層時，在鍛造后也易形成鍛造裂紋（內裂）縮孔引起的這種裂紋存在于零件中心部位，一般較長，大多沿零件軸向伸長；如果鐓粗，裂紋可能延伸到零件表面、較為寬大夾層引起的這種裂紋細而長，無分布規律。⑤

當鍛造冷卻太急劇，通過某一溫度區域時也容易引起內裂紋，這是由于在這個溫度范圍內從固溶體中逸出的不溶性氣體造成的。拓展知識2.

鍛造零件的缺陷（5）褶皺。它是鍛件在高溫下非鍛擊表面上發生的表面皺紋，皺紋一般多數向同一方向叢生。（6）重皮。金屬材料在鍛擊時表面產生凸起部分，當再次鍛擊時，凸起部分被壓扁卷入基體面附于鍛件表面上所形成的皺紋，稱為重皮。（7）白點。它是一種特殊細小的裂紋，它在鋼材的縱向斷面上呈銀白色晶狀斑點，故稱為白點。拓展知識3.

焊接結構的零件缺陷對于焊接結構的零件來說，需要探傷檢查的缺陷主要有下列幾種：（1）焊接裂紋。零件在焊接過程中或焊接以后，在焊縫或熱影響區域內所出現的局部裂紋，稱為焊接裂紋。（2）未焊透。這是指焊縫與被焊結構零件金屬母體接觸不良，即焊接金屬與基本金屬未熔化在一起。拓展知識4.

加工過程中產生的缺陷在加工過程中產生的缺陷有以下幾種：（1）淬火裂紋。這是在熱處理時由于操作工藝不當產生應力而造成的裂紋。淬火裂紋形成的原因比較復雜，一般認為有以下幾點：①

熱處理工藝不當，如淬火溫度過高、淬火介質選擇不當、冷卻速度過快、淬火后未及時回火、回火溫度低或回火時間不足等。②

材料選擇不當或鋼的晶粒過大。③

形狀過于復雜、厚薄不均，尖角未消除、孔洞未堵住。④

結構設計不良。拓展知識4.

加工過程中產生的缺陷（2）磨削裂紋。這是由于砂輪和金屬間摩擦生熱引起的熱應力而形成的裂紋。磨削裂紋產生的主要原因有：①

砂輪的粒度和硬度與被磨削的零件表面不相適應，如砂輪粒度過細、硬度過高，這樣磨削表面就容易被撕裂，這種撕裂作用使表面原來的壓應力變為拉應力，于是表面出現裂紋。②

砂輪不鋒利，砂輪鈍化，鐵屑把砂輪空隙填滿，因而增加了砂輪與零件表面的接觸擠壓，導致嚴重發熱，使表面溫度劇增，引起燒傷與裂紋。