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X射線分析技術在金屬材料失效分析中的應用

利用X射線具有較強的穿透能力，并可使照相膠片感光和不同形態物質對X射線吸收不同的原理做X射線檢測。X 射線檢測是現代工業生產中質量檢測、質量控制、質量驗證的重要手段，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部缺陷，如夾渣、裂紋、氣孔、未焊透、未熔合等。在機械裝備的失效分析中，特別是確定不良品的缺陷位置或對其定性時，可采用X射線檢測進行定位和輔助定性。

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》中規定，在焊接接頭中因焊渣產生的金屬不連續、不致密或連續不良的現象簡稱缺欠，超過規定值的缺欠稱為舞裝缺陷區域和基體之間的密度差異(或成分差異)會導致被檢工件與其內部缺陷介質對X射線能量衰減程度產生差異，導致射線透過工件后的強度不同，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，評片的人員據此就可以判斷缺陷的情祝。

2.工業CT檢測

工業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點。工業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的，不同物質的密度差異對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用舉例

某航天設備上的壓氣機采用7055高強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。箱體長的方向為擠壓方向，也是噴射成形的圓錠軸向。熱處理設備為箱式爐，熱處理后進行了超聲波檢測，未發現缺陷，然后進行精加工，達到圖樣技術要求后進行模擬試驗，運行約400萬次后發現局部表面開裂。開裂部位內腔壓力為0~30MPa脈沖，頻率為6.667Hz。

由于該零件結構比較復雜，若分析前盲目進行切割，則有可能造成開裂面不完整，甚至會導致裂紋源區重要失效信息的丟失，影響整體失效分析。對此，首先采用X射線對其進行無損檢測，初步確定了裂紋的大概位置，發現存在兩條長分別為46m和103m裂紋。然后采用工業CT 檢測對裂紋進行更精確地定位和3D 成像，進一步了解了裂紋在零件中的具體位置和范圍。

根據X射線檢測、工業 CT檢測的斷層掃描以及宏觀觀察情況，再結合該零件的設計圖樣，判斷裂紋位置，然后規劃了切制方案，對試樣進行解剖，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，根據放射紋的收斂方向判斷裂紋源部位。后經進一步的失效分析，結果表明壓氣機在模擬試驗前機身內部二級壓力腔18mm通孔的R角處已經存在老裂紋，該裂紋是在熱處理過程中形成的，在模擬試驗過程中于交變應力的作用下產生了疲勞擴展。

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