陶瓷微裂纹检测方法(1).pdfVIP

摘 要：随着对工程陶瓷材料的广泛使用，对其表面和亚表面缺陷检测更显重要。 本文对就先进陶瓷材料无损检测技术和检测方法进行了论述，除了介绍 几种常用的无损检测方法外，对新型的无损检测方法作以评价。并且就 当今最为关心的陶瓷成像技术和预测裂纹问题作了阐述。 关键词：无损检测陶瓷激光缺陷 0 引言 工程陶瓷是经过烧结形成的硬脆材料，因其独特的分子结构而具 有高硬度、高耐磨性、抗腐蚀性、高耐热性等优良的物理机械性能， 在航空航天、化工等现代工业和科学技术领域具有十分广阔的应用前 景。其缺陷是在其制作及后处理等生产过程中产生的，当表面或亚表 面存在10um-60um数量级的缺陷，即可导致制品在工作时发生破坏。 例如，碳化硅在承受686N／mm-980N／mm 的负荷应力时，如表面有 30um～50um数量级的缺陷存在，材料即可遭受破坏。因此，对陶瓷 缺陷进行检测十分重要。[1] 1 无损检测的发展与应用 近年来, 随着人们对工业生产中的质量意识和在役设备寿命预 测技术的要求不断提高，以及复合材料和工程陶瓷等新材料的应用， 传统的无损检测方法遇到障碍，促使人们探索采用新的检测途径。如 要求传统检测技术获得的结果更直观可靠，还能方便地以二维或三维 形式成像。 特殊的构件还要求非接触性检测等。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、发展较快的无损检测技术。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，工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI 和NDT 向NDE 过渡 现在无损检测的发展是从一般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，这将减少人为因素的影响，提高检测的可靠性 目前，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的超声扫描成像检测，将现代数字信号处理 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 材料构件的强度与剩余寿命进行评估等方面很有发展前景 [3] 2 先进工程陶瓷材料的无损检测技术 2·1陶瓷材料无损检测的具体目标 陶瓷材料无损检测的具体目标是检出对性能不利的裂纹、气孔、 结块、夹杂等缺陷。它的难度在于需要检测的缺陷极其微小，一般比 金属或复合材料小 l 一2个数量级。典型的结构陶瓷，为防止材料快 速破坏，需检出6o 一600um 的缺陷；对于缓慢裂纹生长需预测寿命的， 要检出20—200um 的缺陷；为提高韧性而控制材料组织，必须检出 lO 一50um 的缺陷；为对精密部件控制制造工艺，则需检出 l 一30um 的 缺陷。有些学者认为细晶陶瓷(如热压氮化硅)的临界尺寸小至25um 以下；而粗晶陶瓷(如反应烧结氮化硅)要高一些，可以是5O～lO0um [4] * 基金项目：国家自然科学基金资助项目 ；天津市科技发展计划项目支持 作者简介：程应科（1974-），男，硕士，研究方向为机械制造及自 动化。 2·2 陶瓷无损检测的方法 近年来，用于陶瓷无损检测的方法有：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。其中最常用的方法是超声检测。 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，一部分声波会产 生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺 陷来。使用它可以显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等，可 判别密度差异、弹性模量、厚度等特性和几何形状的变化方面。[6] 超声检测主要是应用超声波的声速和衰减这2个参量来获得有关 材料微观组织和力学性能的信息。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灵敏地指示出因材 料微观组织的变化而引起内部损耗。为了检出现代陶瓷中的微小缺 陷，常用水浸探伤法和聚焦型探头。缺陷的检出能力与所用超声波频 率有关。频率越高，波束越细，缺陷检出能力就越强。但频率越高， 超声波的衰减也越严重。 根据散射理论，超声波有可能检