超聲檢測

使超聲波與材料相互作用並對反射、透射和散射的波進行研究，以對材料的宏觀缺陷、微觀組織、力學性能等進行無損評價的技術。按原理可分穿透法、共振法和脈衝反射法三種，以後者最為常用。對於宏觀缺陷的檢測，常用振動頻率為0.5～25MHz的短脈衝波以反射法進行，此時，在試件中傳播的聲脈衝遇到聲特性阻抗 （材料密度 與聲速相乘積），有變化處部分入射聲能可被反射。根據反射信號的有無和幅度的高低，可對缺陷的有無和大小作出評估。通過測量入射波與反射波之間的時差，可確定反射面與試件表面上入射點的距離。

為適應不同類型的試件，不同取向、位置和性質的缺陷及質量要求，可選用的波形有縱波、橫波、瑞利波、蘭姆波和爬波。採用特定的掃描顯示方式及相應的電子線路， 可獲得試件中缺陷分佈及形態的圖像。材料特性的無損表徵主要與超聲在試件中的傳播速度及在傳播過程中能量的衰減與材料的微觀組織結構有關，如果這種關係可從先前的冶金學研究得知，表徵的內容可包括：彈性方面的評價，微觀組織和形態變化的描 述，分散的聲不連續性和缺陷羣的評定，力學性能變化和材質下降的測量 等。此法優點是：可用於金屬、非金屬、 複合材料製件的無損評價； 對確定內部缺陷的諸參量較之其他無損檢測方法有綜合優勢；靈敏度高，可檢出數十 μm級缺陷；僅需從一側接近試件；設備輕便可作現場檢測。主要侷限性是對材料及製件做精確的定性、定量表徵，仍需進一步深入研究。

超聲波是頻率高於20千赫的機械波。在超聲探傷中常用的頻率為0.5～10兆赫。這種機械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產生反射、折射和波形轉換。這種現象可被用來進行超聲波探傷，最常用的是脈衝反射法，探傷時，脈衝振盪器發出的電壓加在探頭上（用壓電陶瓷或石英晶片製成的探測元件），探頭髮出的超聲波脈衝通過聲耦合介質（如機油或水等）進入材料並在其中傳播，遇到缺陷後，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉變為電脈衝，經儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測定缺陷的位置和大致尺寸。除反射法外，還有用另一探頭在工件另一側接受信號的穿透法以及使用連續脈衝信號進行檢測的連續法。利用超聲法檢測材料的物理特性時，還經常利用超聲波在工件中的聲速、衰減和共振等特性。

脈衝反射探傷法通常用於鍛件、焊縫等的檢測。可發現工件內部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺欠。被檢測物要求形狀較簡單，並有一定的表面光潔度。為了成批地快速檢查管材、棒材、鋼板等型材，可採用配備有機械傳送、自動報警、標記和分選裝置的超聲探傷系統。除探傷外，超聲波還可用於測定材料的厚度,使用較廣泛的是數字式超聲測厚儀，其原理與脈衝回波探傷法相同，可用來測定化工管道、船體鋼板等易腐蝕物件的厚度。利用測定超聲波在材料中的聲速、衰減或共振頻率可測定金屬材料的晶粒度、彈性模量（見拉伸試驗）、硬度、內應力、鋼的淬硬層深度、球墨鑄鐵的球化程度等。此外，穿透式超聲法在檢驗纖維增強塑料和蜂窩結構材料方面的應用也已日益廣泛。超聲全息成象技術也在某些方面得到應用。

根據耦合方式，超聲檢測分為直接接觸法和液浸法。

採用直接接觸法進行超聲檢測，需要在探頭和工件待檢測面之間塗以很薄的耦合劑，以改善探頭與檢測面之間聲波的傳導。液浸法是將探頭和工件全部或部分浸於液體中，以液體作為耦合劑，聲波通過液體進入工件進行檢測的方法。

直接接觸法主要採用A型顯示脈衝反射法工作原理，操作方便、檢測圖形簡單、判斷容易和靈敏度高，在實際生產中得到最廣泛的應用。

直接接觸法超聲檢測方法有直射聲束法和斜射聲束法。

（1）直射聲束法

直射聲束法是採用直探頭將聲束垂直入射工件待檢測面進行檢測的方法，又稱縱波法。當直探頭在待檢測面上移動時，無缺陷處示波屏上只有始波T和底波B，如圖9-6中（a）所示；若探頭移到有缺陷處且缺陷反射面比聲束小時，則顯示屏上出現始波T、缺陷波F、和底波B，如圖9-6中（b）所示；當探頭移到大缺陷處時，則示波屏上只出現始波T、缺陷波F，如圖9-6中（c）所示。顯然，垂直法探傷能發現與探傷面平行或近於平行的缺陷。

（2）斜射聲束法

斜射聲束法是採用斜探頭將聲束傾斜入射工件待檢測面進行檢測的方法，又稱橫波法。如圖9-7所示，當斜探頭在待檢測面上移動時，無缺陷時示波屏上只有始波T，這是因為聲束傾斜入射至底面產生反射後，在工件內以“W”形路徑傳播，故沒有底波出現，如圖9-7中（a）所示；當工件存在缺陷而缺陷與聲束垂直或缺陷的傾斜角很小時，聲束會被反射回來，此時示波屏上將顯示出始波T和缺陷波F，如圖9-7中（b）所示；當斜探頭接近板端時，聲束將被端角反射回來，在示波屏上將出現始波T和端角波B，如圖9-7中（c）所示。 ^[2] 

超聲檢測法的優點是：穿透能力較大，例如在鋼中的有效探測深度可達1米以上；對平面型缺陷如裂紋、夾層等，探傷靈敏度較高，並可測定缺陷的深度和相對大小；設備輕便，操作安全，易於實現自動化檢驗。缺點是：不易檢查形狀複雜的工件，要求被檢查表面有一定的光潔度，並需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合。對於有些粗晶粒的鑄件和焊縫，因易產生雜亂反射波而較難應用。此外，超聲檢測還要求有一定經驗的檢驗人員來進行操作和判斷檢測結果。