X射線在失效分析中的功能表現
2024-03-25 17:18
影關
從一百多年前開始，人們發現了X射線分析技術。到現在，它已經能用在很多不同的行業里，對人們的生活和工作都非常重要。在檢查機器設備的問題時，X射線分析技術也非常有用。
?。厣渚€探傷
X射線能穿過物體，還能讓照相膠片感光。不同的東西對X射線的吸收也不一樣。所以，我們可以用X射線來檢查東西里面有沒有問題。這個方法在工業生產里很重要，特別是檢查金屬或非金屬做的零件、鑄造和焊接的部分，看它們里面有沒有像夾渣、裂紋、氣孔等缺陷。當機械裝備有問題時，X射線也能幫忙找出缺陷在哪里，是什么樣子的。
?。厣渚€照相法
GB/T 6417.1-2005里說了，焊接時產生的金屬不連續或不好的地方叫“缺欠”。如果缺欠太嚴重，就是焊接缺陷。缺陷的地方和別的地方密度或成分不一樣，所以X射線穿過后的強度也不一樣。這樣，膠片上就會有不同黑度的影像，顯示出缺陷。這就是X射線探傷的基本原理。
工業CT檢測
工業CT檢測，就是用X射線來給東西拍照，然后形成3D圖像。這個檢測方法非常厲害，能清楚看出東西里面的缺陷，還能定位得很準。它基本上不受東西形狀的影響，很方便。檢測時，它會通過圖像的亮度來判斷缺陷，因為不同的東西對X射線的吸收不一樣，所以圖像上的亮度也會不一樣。這樣，我們就能很容易地看出哪里有缺陷了。
應用實例
航天設備上的零件壓氣機，是用一種強度很高的鋁合金材料做的。制造過程包括噴射沉積制坯、熱擠壓、熱處理、精加工和模擬試驗。但在模擬試驗運行了約400萬次后，發現它的局部表面開裂了。
這個零件結構很復雜，直接切割可能會導致重要的失效信息丟失。所以，我們先用影關X射線檢查，發現存在兩條裂紋，長度分別是46mm和103mm。然后，我精確地找到裂紋的位置，并了解裂紋在零件中的具體情況。
根據這些檢測結果和設計圖紙，我們判斷出裂紋的具體位置，并制定了切割方案。打開裂紋后，我們發現開裂面很完整，沒有明顯變形，但有明顯的放射紋。從放射紋的方向來看，裂紋的源頭在下圖(b)中橢圓形標識的部位。
進一步分析后，我們發現這個壓氣機在模擬試驗前就已經有老裂紋了，這個裂紋是在熱處理時形成的。在模擬試驗的交變應力下，這個裂紋就慢慢擴大了。
?。厣渚€衍射分析技術
?。厣渚€衍射分析技術，聽起來可能很高級，其實它就是一個很有效的工具，可以幫我們了解物質的內部結構和組成。比如，它能告訴我們物質是不是晶體，還能測出晶體里原子的排列方式。它還能用來確定物質的種類和數量，測得很準確。不僅如此，它還能幫我們了解材料受到的壓力、殘余奧氏體的含量，以及晶體的方向等等。這個技術的特點就是，它能反映出很多原子的散射情況，而這些情況又和材料的整體性能有很大的關系。所以，它對我們研究和應用材料非常有幫助。
物相分析技術
?。厣渚€衍射就是通過給材料照射Ｘ射線，分析它反射回來的圖譜，來了解材料的成分和結構。這種技術其實是大量原子在材料內部行為的一個統計結果，它和我們日常所說的物理、化學、力學性能關系緊密。
?。厣渚€衍射不僅能告訴我們材料里面有哪些不同成分，還能算出每種成分占多少，這就是定性和定量分析。下面這個圖就展示了兩種TiO2晶體的樣子、結構以及它們的Ｘ射線衍射圖譜。
要判斷未知物質的成分，我們會把它的XRD圖譜和標準圖譜進行對照。定量分析則是看衍射線的強度與物質含量之間的關系。這兩種分析都需要用到標準衍射譜。
現在，很多科學家合作建立了大量的標準衍射數據庫，比如PDF-2、PDF-4和COD等。這些數據庫里面存了很多化合物的數據。我們用計算機來搜索這些數據庫，分析材料的相，不僅快，還很準確。
應用實例
核電疏水閥的管道發生了很多開裂和泄漏，主要在彎管和焊接的地方。我們檢查管子里面，發現有一層奇怪的東西。為了知道這層東西是什么，我們用D8 AdvanceＸ射線衍射儀進行了檢查。結果告訴我們，這層東西大部分是Fe3O4，占了69%，剩下的就是鐵。
這個檢查結果告訴我們，管道里面的腐蝕只和氧氣有關，和其他的東西沒關系。這個結果和我們最后的結論“空泡腐蝕導致了腐蝕疲勞”是一樣的。
殘余應力分析技術
金屬材料里，有些力沒有消失完全，這種力叫做殘余應力。它對機械零件的強度、耐腐蝕性和穩定性都有影響。這種力也能幫助我們檢查焊接、熱處理等工藝的效果，對機械加工表面的質量也有重要意義。
殘余應力分為兩種：宏觀和微觀。宏觀殘余應力是當產生應力的原因消失后，由于材料形變、溫度變化等因素在零件內部保留的力。
如果金屬里有很多小小的、均勻的晶體，并且沒有宏觀應力，那么不同方向上的晶體之間的距離是一樣的。但是，當有宏觀應力時，這些距離就會改變。我們可以通過測量不同方向上晶體之間的距離，利用一些基本關系，來找出這個應力是多少。
有很多方法可以測量殘余應力，比如電測法、機械引申儀法、磁性法等。但Ｘ射線衍射法最常用，因為它不會損壞材料，而且快速準確?，F在，用Ｘ射線衍射法測量宏觀殘余應力的方法和設備越來越多，對產品質量控制和機械失效分析都很有用。比如，我們可以用它來測試大齒輪表面的殘余應力。
?。厣渚€光電子能譜儀
分析技術
?。厣渚€穿過物質后，會激發出光電子。XPS（一種儀器）利用這些光電子的特性來分析物質的性質。
在20世紀50年代，SIEGBAHN K發明了第一臺XPS?，F在的XPS更先進，能看得更清楚，分辨率更高。它使用的光源有兩種，分別是鎂和鋁，它們發射出的能量不同。XPS還能分析元素所處的化學狀態，功能很強大。
在機械裝備失效時，我們常常用XPS來分析元素的價態，從而知道它與其他元素是如何組合的。比如，在腐蝕失效分析中，如果通過其他方法發現腐蝕產物中硫元素含量高，但不確定是哪種化合物，就可以用XPS來分析硫的價態，然后確定是哪種腐蝕介質，這樣就能更有針對性地找出腐蝕的原因并預防。
