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X射線分析技術(shù)在金屬材料失效分析中的應(yīng)用

利用X射線具有較強(qiáng)的穿透能力，并可使照相膠片感光和不同形態(tài)物質(zhì)對X射線吸收不同的原理做X射線檢測。X 射線檢測是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中質(zhì)量檢測、質(zhì)量控制、質(zhì)量驗(yàn)證的重要手段，一般用于金屬、非金屬等材料制成的零部件、鑄造及焊接部件的無損檢測以確定其內(nèi)部缺陷，如夾渣、裂紋、氣孔、未焊透、未熔合等。在機(jī)械裝備的失效分析中，特別是確定不良品的缺陷位置或?qū)ζ涠ㄐ詴r(shí)，可采用X射線檢測進(jìn)行定位和輔助定性。

1.X射線照相法

GB/T 6417.1-2005《金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明》中規(guī)定，在焊接接頭中因焊渣產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連續(xù)不良的現(xiàn)象簡稱缺欠，超過規(guī)定值的缺欠稱為舞裝缺陷區(qū)域和基體之間的密度差異(或成分差異)會(huì)導(dǎo)致被檢工件與其內(nèi)部缺陷介質(zhì)對X射線能量衰減程度產(chǎn)生差異，導(dǎo)致射線透過工件后的強(qiáng)度不同，對膠片的感光不一致,于是在膠片上形成黑度不同的影像，使缺陷能在射線底片上顯示出來，這就是X射線檢測的基本原理。把膠片放在工件適當(dāng)位置，在感光膠片上，有缺陷部位和無缺陷部位將接受不同的射線曝光。再經(jīng)過暗室處理后，得到底片，然后把底片放在觀片燈上就可以顯地觀察到缺陷處和無缺陷處具有不同的黑度，評片的人員據(jù)此就可以判斷缺陷的情祝。

2.工業(yè)CT檢測

工業(yè)CT檢測也稱X射線層析成像，屬于射線檢測具有較高的缺陷辨別能力、高空間和高密度分辨力，能對缺陷精確定位和3D成像，受試樣形狀制約小等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)CT對缺陷的判斷是通過掃描形成的3D圖像的灰度值形式來表現(xiàn)的，不同物質(zhì)的密度差異對X射線吸收能力不同，反映在圖像上即為像素灰度值的不同。

3.X射線檢測在失效分析中的應(yīng)用舉例

某航天設(shè)備上的壓氣機(jī)采用7055高強(qiáng)度噴射鋁合金材料制成，其主要加工工藝流程為:噴射沉積制坯→熱擠壓→熱處理→精加工→模擬試驗(yàn)。箱體長的方向?yàn)閿D壓方向，也是噴射成形的圓錠軸向。熱處理設(shè)備為箱式爐，熱處理后進(jìn)行了超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷，然后進(jìn)行精加工，達(dá)到圖樣技術(shù)要求后進(jìn)行模擬試驗(yàn)，運(yùn)行約400萬次后發(fā)現(xiàn)局部表面開裂。開裂部位內(nèi)腔壓力為0~30MPa脈沖，頻率為6.667Hz。

由于該零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，若分析前盲目進(jìn)行切割，則有可能造成開裂面不完整，甚至?xí)?dǎo)致裂紋源區(qū)重要失效信息的丟失，影響整體失效分析。對此，首先采用X射線對其進(jìn)行無損檢測，初步確定了裂紋的大概位置，發(fā)現(xiàn)存在兩條長分別為46m和103m裂紋。然后采用工業(yè)CT 檢測對裂紋進(jìn)行更精確地定位和3D 成像，進(jìn)一步了解了裂紋在零件中的具體位置和范圍。

根據(jù)X射線檢測、工業(yè) CT檢測的斷層掃描以及宏觀觀察情況，再結(jié)合該零件的設(shè)計(jì)圖樣，判斷裂紋位置，然后規(guī)劃了切制方案，對試樣進(jìn)行解剖，開裂面形貌，開裂面比較完整，未見塑性變形，可見明顯的放射紋，根據(jù)放射紋的收斂方向判斷裂紋源部位。后經(jīng)進(jìn)一步的失效分析，結(jié)果表明壓氣機(jī)在模擬試驗(yàn)前機(jī)身內(nèi)部二級(jí)壓力腔18mm通孔的R角處已經(jīng)存在老裂紋，該裂紋是在熱處理過程中形成的，在模擬試驗(yàn)過程中于交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了疲勞擴(kuò)展。

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