X射线在失效分析中的功能表现
2024-03-25 17:18
影关
从一百多年前开始，人们发现了X射线分析技术。到现在，它已经能用在很多不同的行业里，对人们的生活和工作都非常重要。在检查机器设备的问题时，X射线分析技术也非常有用。
Ｘ射线探伤
X射线能穿过物体，还能让照相胶片感光。不同的东西对X射线的吸收也不一样。所以，我们可以用X射线来检查东西里面有没有问题。这个方法在工业生产里很重要，特别是检查金属或非金属做的零件、铸造和焊接的部分，看它们里面有没有像夹渣、裂纹、气孔等缺陷。当机械装备有问题时，X射线也能帮忙找出缺陷在哪里，是什么样子的。
Ｘ射线照相法
GB/T 6417.1-2005里说了，焊接时产生的金属不连续或不好的地方叫“缺欠”。如果缺欠太严重，就是焊接缺陷。缺陷的地方和别的地方密度或成分不一样，所以X射线穿过后的强度也不一样。这样，胶片上就会有不同黑度的影像，显示出缺陷。这就是X射线探伤的基本原理。
工业CT检测
工业CT检测，就是用X射线来给东西拍照，然后形成3D图像。这个检测方法非常厉害，能清楚看出东西里面的缺陷，还能定位得很准。它基本上不受东西形状的影响，很方便。检测时，它会通过图像的亮度来判断缺陷，因为不同的东西对X射线的吸收不一样，所以图像上的亮度也会不一样。这样，我们就能很容易地看出哪里有缺陷了。
应用实例
航天设备上的零件压气机，是用一种强度很高的铝合金材料做的。制造过程包括喷射沉积制坯、热挤压、热处理、精加工和模拟试验。但在模拟试验运行了约400万次后，发现它的局部表面开裂了。
这个零件结构很复杂，直接切割可能会导致重要的失效信息丢失。所以，我们先用影关X射线检查，发现存在两条裂纹，长度分别是46mm和103mm。然后，我精确地找到裂纹的位置，并了解裂纹在零件中的具体情况。
根据这些检测结果和设计图纸，我们判断出裂纹的具体位置，并制定了切割方案。打开裂纹后，我们发现开裂面很完整，没有明显变形，但有明显的放射纹。从放射纹的方向来看，裂纹的源头在下图(b)中椭圆形标识的部位。
进一步分析后，我们发现这个压气机在模拟试验前就已经有老裂纹了，这个裂纹是在热处理时形成的。在模拟试验的交变应力下，这个裂纹就慢慢扩大了。
Ｘ射线衍射分析技术
Ｘ射线衍射分析技术，听起来可能很高级，其实它就是一个很有效的工具，可以帮我们了解物质的内部结构和组成。比如，它能告诉我们物质是不是晶体，还能测出晶体里原子的排列方式。它还能用来确定物质的种类和数量，测得很准确。不仅如此，它还能帮我们了解材料受到的压力、残余奥氏体的含量，以及晶体的方向等等。这个技术的特点就是，它能反映出很多原子的散射情况，而这些情况又和材料的整体性能有很大的关系。所以，它对我们研究和应用材料非常有帮助。
物相分析技术
Ｘ射线衍射就是通过给材料照射Ｘ射线，分析它反射回来的图谱，来了解材料的成分和结构。这种技术其实是大量原子在材料内部行为的一个统计结果，它和我们日常所说的物理、化学、力学性能关系紧密。
Ｘ射线衍射不仅能告诉我们材料里面有哪些不同成分，还能算出每种成分占多少，这就是定性和定量分析。下面这个图就展示了两种TiO2晶体的样子、结构以及它们的Ｘ射线衍射图谱。
要判断未知物质的成分，我们会把它的XRD图谱和标准图谱进行对照。定量分析则是看衍射线的强度与物质含量之间的关系。这两种分析都需要用到标准衍射谱。
现在，很多科学家合作建立了大量的标准衍射数据库，比如PDF-2、PDF-4和COD等。这些数据库里面存了很多化合物的数据。我们用计算机来搜索这些数据库，分析材料的相，不仅快，还很准确。
应用实例
核电疏水阀的管道发生了很多开裂和泄漏，主要在弯管和焊接的地方。我们检查管子里面，发现有一层奇怪的东西。为了知道这层东西是什么，我们用D8 AdvanceＸ射线衍射仪进行了检查。结果告诉我们，这层东西大部分是Fe3O4，占了69%，剩下的就是铁。
这个检查结果告诉我们，管道里面的腐蚀只和氧气有关，和其他的东西没关系。这个结果和我们最后的结论“空泡腐蚀导致了腐蚀疲劳”是一样的。
残余应力分析技术
金属材料里，有些力没有消失完全，这种力叫做残余应力。它对机械零件的强度、耐腐蚀性和稳定性都有影响。这种力也能帮助我们检查焊接、热处理等工艺的效果，对机械加工表面的质量也有重要意义。
残余应力分为两种：宏观和微观。宏观残余应力是当产生应力的原因消失后，由于材料形变、温度变化等因素在零件内部保留的力。
如果金属里有很多小小的、均匀的晶体，并且没有宏观应力，那么不同方向上的晶体之间的距离是一样的。但是，当有宏观应力时，这些距离就会改变。我们可以通过测量不同方向上晶体之间的距离，利用一些基本关系，来找出这个应力是多少。
有很多方法可以测量残余应力，比如电测法、机械引申仪法、磁性法等。但Ｘ射线衍射法最常用，因为它不会损坏材料，而且快速准确。现在，用Ｘ射线衍射法测量宏观残余应力的方法和设备越来越多，对产品质量控制和机械失效分析都很有用。比如，我们可以用它来测试大齿轮表面的残余应力。
Ｘ射线光电子能谱仪
分析技术
Ｘ射线穿过物质后，会激发出光电子。XPS（一种仪器）利用这些光电子的特性来分析物质的性质。
在20世纪50年代，SIEGBAHN K发明了第一台XPS。现在的XPS更先进，能看得更清楚，分辨率更高。它使用的光源有两种，分别是镁和铝，它们发射出的能量不同。XPS还能分析元素所处的化学状态，功能很强大。
在机械装备失效时，我们常常用XPS来分析元素的价态，从而知道它与其他元素是如何组合的。比如，在腐蚀失效分析中，如果通过其他方法发现腐蚀产物中硫元素含量高，但不确定是哪种化合物，就可以用XPS来分析硫的价态，然后确定是哪种腐蚀介质，这样就能更有针对性地找出腐蚀的原因并预防。
