機械故障診斷技術(shù)11-其他故障診斷技術(shù)

第十一章其它故障診斷技術(shù)11.1斷口分析技術(shù)斷口記錄了斷裂過程的相關(guān)信息，是一個重要的物證。機械零部件的斷裂原因分析，涉及許多技術(shù)，他們有：材料元素組成方面的光譜分析技術(shù)；金相組織方面的金相分析技術(shù)；材料性能方面的強度硬度分析技術(shù)；零件結(jié)構(gòu)方面的斷口分析技術(shù)。光譜分析、金相分析、強度硬度分析都需要依賴精密貴重的儀器儀表，斷口分析技術(shù)靠的是人眼的觀察，它是在工業(yè)現(xiàn)場就能初步分析的技術(shù)。11.1.1斷口分析基礎(chǔ)知識對于具有塑性特征的金屬材料，斷裂是拉伸應(yīng)力作用的結(jié)果，壓縮應(yīng)力只能造成壓潰，斷口邊緣處的擠出飛邊就是其特征，剪切斷裂的主要作用應(yīng)力仍然是拉伸正應(yīng)力，如圖11-1所示，所以軸類零件的純扭轉(zhuǎn)斷裂是沿45°線開裂。一．拉伸試棒的斷口特征

塑性材料（如結(jié)構(gòu)鋼類）制造的拉伸試棒的斷口如圖11-2，斷口處明顯表現(xiàn)出縮頸現(xiàn)象，斷面呈杯狀。ττττσσσσ圖11-1剪切應(yīng)力分析圖11-2塑性材料的拉伸斷口這是因為在斷裂前，拉應(yīng)力首先超過屈服極限，材料內(nèi)部的晶粒被拉伸，同時出現(xiàn)流動。而材料表面的晶粒約束小，容易流動補充，所以伸長多些，而內(nèi)部的材料晶粒約束較多，流動補充不易，所以在芯棒中心的晶粒首先發(fā)生斷裂，斷裂部位從中心向外延展。因而在斷面處產(chǎn)生杯狀斷口。

鋼鐵材料的主體是鐵碳合金，在從液態(tài)凝固成固體時，首先形成晶核的是純鐵的鐵素體，碳及其他合金原子則被排擠分布到晶界處，因而晶界是扭曲的，是抵抗變形錯動的主要部分。這就是為什么細晶粒鋼的強度大于粗晶粒鋼的原因，鋼鐵材料的熱處理就是通過獲得不同的晶粒組織來獲得所需的機械性能。因而斷裂發(fā)生前塑性較高的鐵素體晶粒被拉長，斷裂后，這些拉長的痕跡被保留下來，在斷口處表現(xiàn)為參差不齊的形態(tài)，通常稱為纖維狀。二．穿晶斷裂與沿晶斷裂

a)穿晶斷裂(b)沿晶斷裂圖11-3斷裂形態(tài)如圖11-3（a）所示，穿晶斷裂的裂紋穿過金屬材料的晶體，這是因為裂紋的延展總是沿著最弱方向，而材料中由鐵素體組成的晶粒處于強度最弱的位置，存在扭曲錯位的晶界則是裂紋延展的阻力，晶粒愈大，裂紋擴展愈易。

穿晶斷裂是應(yīng)力斷裂的微觀特征，晶粒表現(xiàn)為殘余的變形，斷口表現(xiàn)為纖維狀。圖11-3（b）是沿晶斷裂的示意圖，沿晶斷裂是化學腐蝕的結(jié)果。在晶界處材料內(nèi)的雜質(zhì)全猬集于此，其中有化學性質(zhì)活躍的硫、磷等，再加上各類元素原子的鍵合度差異，存在許多薄弱環(huán)節(jié)，化學腐蝕最容易沿晶界擴展。不銹鋼就是利用了鉻、鎳原子與鐵原子的高鍵合度，同時也在表面生成化學性質(zhì)牢固的強氧化膜阻擋了化學物質(zhì)的入侵，合金原子的鍵合度是改善鋼鐵材料機械性質(zhì)的重要因素。在金屬表面生成化學性質(zhì)牢固的氧化膜也是阻擋腐蝕的一種有效方式，鋁合金的陽極氧化工藝就是走的這樣一種路線。沿晶斷裂是化學腐蝕的微觀特征，斷口表面相對平滑。許多輸送化學物質(zhì)的管道腐蝕穿孔的主要原因就是沿晶斷裂。11.1.2疲勞斷口的特征疲勞斷口是在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的。為了研究觀察疲勞斷口的特征，構(gòu)造了如圖11-4形式的試驗裝置。交變載荷力承載梁的截面圖11-4彎曲疲勞斷裂試驗裝置承載梁的結(jié)構(gòu)情況有兩種，一種是表面光滑的矩形斷面梁（表面殘留最后精磨加工的擠壓應(yīng)力）；另一種是在最大應(yīng)力處做了環(huán)截面應(yīng)力集中溝痕的矩形斷面梁。這種情況下，疲勞斷裂的斷口有兩種：裂源貝殼紋

終斷區(qū)圖11-5表面光滑矩形斷面圖圖11-5表面光滑的矩形截面斷面圖。特征如下：1．裂源出現(xiàn)在最大應(yīng)力處，從存在原始缺陷處開始。疲勞斷裂的裂源只有一處，一旦出現(xiàn)就抑制了其它裂源的產(chǎn)生。裂源產(chǎn)生后，因為裂紋擴展緩慢，反復(fù)的張開閉合使得表面因擠壓而光滑，工業(yè)現(xiàn)場因環(huán)境的影響，裂源處還可能出現(xiàn)銹跡。2．貝殼紋是裂紋擴展殘留的痕跡。因試驗梁的外表面光滑而且殘留加工的擠壓應(yīng)力，因此芯部擴展快，邊緣擴展慢。貝殼紋是受載荷不均勻的影響，裂紋擴展快慢變化所留的痕跡，而且隨著材料承載面積的減小逐步加大。3．終斷區(qū)，當殘余材料承載面積上的應(yīng)力達到強度極限時，發(fā)生瞬間斷裂。因此整個斷面面積與終斷區(qū)面積之比為零件的安全裕度。如圖11-5，安全裕度約為2。終斷區(qū)的宏觀表象是纖維狀。

裂源貝殼紋終斷區(qū)圖11-6存在應(yīng)力集中的矩形斷面圖圖11-6是存在應(yīng)力集中的矩形截面斷面圖。特征如下：

1．裂源，與圖11-5相同，疲勞斷裂的裂源只有一處。2．貝殼紋，因試驗梁的表面存在應(yīng)力集中，裂紋擴展速度表面快于芯部。3．終斷區(qū)。與圖11-5相同，也是殘余材料承載面積上的應(yīng)力達到強度極限時，發(fā)生瞬間斷裂。也可以用以判別零件的安全裕度。

1．首先觀察裂源，若只有一個裂源，則表明為疲勞斷裂。多個裂源則為突發(fā)性斷裂。疲勞斷裂有一個發(fā)展過程，是可以事先預(yù)防的，突發(fā)性斷裂發(fā)展時間很短，是不可預(yù)防的。2．觀察貝殼紋的走向特征，判定表面是否存在應(yīng)力集中。3．觀察終斷區(qū)，估計零件的安全裕度。

疲勞斷裂表面的判讀：圖11-7純扭轉(zhuǎn)斷裂的斷口人字紋山脊紋終斷區(qū)因為圓軸的外圓始終是最大應(yīng)力區(qū)，因而可以有多個裂源在圓周上產(chǎn)生。圓周處的人字紋是存在應(yīng)力集中的表現(xiàn)，應(yīng)力集中在多數(shù)情況是車刀的刀痕造成。山脊紋是裂紋擴展殘留的痕跡，它是由無數(shù)的45°微裂紋的組合，由于受到另一斷面的約束和擠壓，山脊很低，必須仔細觀察才能察覺。純扭轉(zhuǎn)斷裂的終斷區(qū)位于圓心，這是純扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的特征。提高傳動軸抗疲勞的措施有：提高表面光潔度，最后工序采用磨削；使軸表面存在殘余擠壓應(yīng)力，如最后工序采用滾壓或噴丸。

圖11-7所示為塑性材料傳動軸純扭轉(zhuǎn)斷裂的斷口。11.1.3突發(fā)斷口的特征塑性斷裂的特征是斷口殘留著塑性變形的痕跡，塑性材料的突發(fā)性斷裂是由突然超載造成的。因為塑性材料制造的機械零件都有一定的安全裕度，突然超載多數(shù)是操作失誤造成過大的動載荷，如在起吊滿載或近滿載時，快速提升或下降陡停；在轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)時突然打反轉(zhuǎn)，都能產(chǎn)生的強烈的慣性動載荷。例如：某鋼鐵公司冷軋廠天車因起吊動作過猛，引起鋼卷上下抖動，導(dǎo)致吊具發(fā)生突然斷裂；某鋼鐵廠煉鋼轉(zhuǎn)爐因操作工在轉(zhuǎn)動過位時，突打反轉(zhuǎn)，造成傾動大齒輪發(fā)生斷齒；都是操作失誤造成設(shè)備損壞的例子。在突發(fā)性超載的應(yīng)力作用下，零件材料內(nèi)部多個裂源同時在應(yīng)力最大處出現(xiàn)及發(fā)展。由于各斷裂面按各自的弱面發(fā)展，往往這些面不在同一截面，斷裂面在發(fā)展過程中必然發(fā)生轉(zhuǎn)向，與另一斷裂面匯合。斷裂面發(fā)生轉(zhuǎn)向留下的痕跡在專業(yè)術(shù)語上稱為斷裂瘤，斷裂瘤是塑性材料突發(fā)斷裂的重要特征。

突發(fā)斷口是指快速斷裂所產(chǎn)生的斷口，根據(jù)材料斷裂的特征，分為塑性斷裂和脆性斷裂兩類。脆性斷裂的一個重要特征是金屬材料在低應(yīng)力狀態(tài)下的突然斷裂。

脆性斷裂的斷口特征是表面較光潔，幾乎看不到金屬材料流動變形的痕跡。這是因為脆性斷裂主要是沿著晶界發(fā)展，晶界雖然扭曲，卻沒有填充滿，這是從液態(tài)冷卻到固態(tài)時，晶粒收縮造成的空隙。這些空隙甚至允許直徑小的原子通過，如氫原子就能通過空隙而聚集，當然它們需要時間。因此氫脆并不發(fā)生在加工完后，而是發(fā)生在安裝完成，投入生產(chǎn)的時候。例如葛洲壩電站的渦輪機殼，材料16Mn，厚50mm，武漢某廠制造完成，在電站現(xiàn)場安裝完，不到24小時沿圓周焊縫開裂3/4圓，判定為氫脆斷裂。如果發(fā)生在通水發(fā)電后，就相當麻煩。產(chǎn)生脆性斷裂的原因很多，在一般工業(yè)現(xiàn)場多數(shù)情況常溫發(fā)生的是氫脆，低溫冷脆主要發(fā)生在制氧機等深冷設(shè)備上。氫脆的原因主要是焊條在焊接前烘干脫水不足、焊接表面有油污（機械潤滑油是碳氫化合物）等。磷硫含量高的鋼材容易發(fā)生低溫冷脆，所以專用的低溫鋼對磷硫含量有嚴格的控制。

11.1.4斷口分析診斷實例主卷卷筒主卷減速機制動閘主卷電機小車車體小車行走輪圖11-8小車主卷布置圖斷裂處某鋼鐵公司冷軋廠成品庫15噸天車是大連起重機廠制造，該種天車在冷軋廠有15臺，只有成品庫中的一臺天車經(jīng)常發(fā)生主卷減速機一軸斷裂事故。斷軸部位見圖11-8所示，廠方經(jīng)過長期觀察，發(fā)現(xiàn)每使用三個月以上就會發(fā)生，因此廠里安排組織了一批該軸的備件，不到三個月就換。但是這樣頻繁的更換仍然避免不了事故發(fā)生，一旦發(fā)生，正在吊裝的成品從空中快速墜下，近10噸的鍍錫、鍍鋅薄板從正品變成了次品。使廠里的人員不堪忍受，因此委托公司所屬的大專院校研究斷裂原因。我們接到委托時，也拿到了最近的事故斷軸。斷裂部位在軸的傳動端滾動軸承安裝軸頸與過渡段軸頸的臺肩處，在過渡軸頸上，如圖11-9所示。這兩段軸頸的半徑相差5mm，按圖紙要求此處過渡圓弧半徑為1mm，實際上幾乎看不出來。斷軸材料：40Cr，調(diào)質(zhì)，HB265～HB285。圖11-9軸上的斷裂部位在斷裂的軸頸處，我們做了以下幾點工作：在圖11-9的雙線處車斷，保留斷口部分，車屑送光譜分析，檢測實際材料成分是否合格；車斷面拋光作金相組織檢查和硬度檢測（探測強度是否合格）。光譜分析的結(jié)果是：材料為38Cr，含碳量略低于標準，Cr含量低于標準較多，差異比含碳量大，會影響鋼的淬透性。金相組織為粗晶粒索氏體，硬度分布從中心到邊緣的差異大，邊緣硬度在HB225左右，中心硬度在HB180，淬透性差的效果已經(jīng)顯現(xiàn)。但是上面所述都不是斷裂的原因，38Cr的機械性能與40Cr相差不大；硬度低的同時塑韌性則會增高；只是粗晶粒索氏體的抗疲勞的性能不好。最終的判定是根據(jù)斷口分析作出的。裂源貝殼紋終斷區(qū)圖11-10軸的斷面圖圖11-10是軸的斷面圖，只有1個裂源，說明是疲勞斷裂，而且是以拉壓彎曲為特征的斷裂。貝殼紋和圓周的人字紋都表明沿圓周存在應(yīng)力集中，貝殼紋中心擴展慢，圓周擴展快，這一特征明顯表明圓周處存在應(yīng)力集中。終斷區(qū)面積約為全截面面積的三分之一，即軸的安全裕度約為3，應(yīng)該有足夠的抗疲勞能力，唯一的解釋就是交變應(yīng)力σ的幅值高于許用疲勞應(yīng)力[σ-1]，因此加速了疲勞進程。

還有一個特征值得注意：傳動軸的設(shè)計是傳遞扭矩，軸上的應(yīng)力主要是扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。而斷面特征卻是拉壓彎曲應(yīng)力特征，這說明造成疲勞破壞的主因是拉壓彎曲。這是聯(lián)軸節(jié)不對中的特征。

傳動軸經(jīng)常斷裂，更換頻繁。廠內(nèi)相關(guān)人員一直關(guān)注，希望解決這問題的想法很強烈。因此安裝鉗工在安裝時會注意按技術(shù)規(guī)范要求調(diào)整。也就是說，聯(lián)軸節(jié)不對中原因是安裝未達到標準的可能性小。推論：小車車體平臺的剛度不足，在聯(lián)軸節(jié)安裝對中時，車體無荷重，平臺平整，對中能調(diào)好達標。在生產(chǎn)吊裝成品時，平臺在荷重下，局部下沉變形，使聯(lián)軸節(jié)的對中情況惡化，傳動軸附加上彎曲應(yīng)力，由此導(dǎo)致傳動軸疲勞斷裂。我們在給冷軋廠的報告中提出了上述推論，建議冷軋廠檢查小車車體的下部鋼架是否存在脫焊、開裂等隱患，即使未能發(fā)現(xiàn)，也要采取加固車體鋼架的措施。報告中提出的第二條措施是：將滾動軸承安裝軸頸與過渡段軸頸處的過渡圓弧半徑改為5mm，因為半徑1mm的圓弧容易殘留車刀刀痕，造成應(yīng)力集中。11.1.5裂紋分析診斷案例某大型電機發(fā)現(xiàn)軸伸端軸瓦溫度異?？焖偕撸S承支座明顯晃動，將轉(zhuǎn)軸拆卸檢查后發(fā)現(xiàn)主電機軸瓦附近軸頸出現(xiàn)裂紋。為確定軸段的起裂位置，用鋸床切割該軸端，方便觀察分析。根據(jù)裂紋在切割橫斷面的擴展深度，再沿縱向鋸開后制備裂紋斷口，以觀察裂紋軸段的斷口特征。斷口疲勞源區(qū)的宏觀形貌見圖11-11，黑色箭頭指示疲勞源區(qū)所在位置，位于軸肩位置。

圖11-11斷口疲勞源區(qū)的宏觀形貌

圖11-12斷口疲勞源區(qū)的微觀形貌對取樣取樣位置進行化學成分測定和拉伸試驗，其化學成分、拉伸和沖擊性能值均符合要求。進一步沿轉(zhuǎn)軸縱向取樣進行金相組織觀察，靠近表面區(qū)域的金相組織形貌（見圖11-13）均與35CrMo正常的調(diào)質(zhì)態(tài)組織不符，說明轉(zhuǎn)軸熱處理工藝存在問題。

圖11-13金相組織形貌11.2材料探傷技術(shù)材料探傷技術(shù)也分為許多種，滲透探傷、磁粉探傷、超聲波探傷、射線探傷只是一部分，還有用于在生產(chǎn)線上的渦流探傷等。11.2.1滲透探傷技術(shù)滲透探傷又稱著色探傷，主要用于探測開口型的疲勞裂紋。滲透探傷利用一組藥劑，分為清洗劑、滲透劑、顯像劑。滲透探傷的優(yōu)勢在于簡便易行，藥劑已經(jīng)是現(xiàn)成的，如圖11-11所示，相對成本低廉。圖11-11滲透探傷劑清洗劑無色透明，是一種溶劑。如圖11-11中黃色噴罐所示，用于清洗被探傷的表面的油污等。因此用量較多。滲透劑為紅色噴罐，是一種紅色的藥劑，有強烈的刺激性和滲透、吸附能力，能溶于清洗劑。消耗量最低。顯像劑為藍色或綠色的噴罐，是一種白色的藥劑。用于顯現(xiàn)被滲透劑侵入的裂縫。

滲透探傷的操作工藝：1．清洗被探傷的表面，如果油污重，可先用清洗油清洗表面，再用清洗劑噴洗表面，對于懷疑存在裂紋處應(yīng)仔細噴洗，使封在裂紋開口處的油污去除，以便滲透劑滲入。稍干后，進行下步操作。2．用滲透劑噴灑欲探傷的表面，應(yīng)均勻無漏噴。噴灑完成后，間歇15分鐘，待滲透劑滲入。滲透劑噴灑前，要搖勻，防止有沉淀。3．待滲透劑滲入完成，用棉紗破布等擦凈表面的滲透劑，必要時可以將清洗劑噴在棉紗破布上擦凈殘余的滲透劑。為防止清洗劑將滲入裂紋內(nèi)的滲透劑洗出，禁止用清洗劑直接噴洗，只能擦洗，擦洗時棉紗破布上的清洗劑不許過多。4．將顯像劑的噴罐搖動，使沉淀的白色藥劑均勻，防止堵塞噴孔。將顯像劑均勻的薄薄的以霧狀地噴在探傷表面，不要出現(xiàn)流動，防止沖亂顯示的紅色的裂紋線，干擾判讀。裂紋的判讀：在白色的顯像劑干后，觀察表面。如果存在裂紋，滲入到裂紋里的滲透劑被白色的顯像劑吸引，在表面呈現(xiàn)出裂紋的跡象。紅線的走向與長度即為裂紋的走向與長度。豐富的經(jīng)驗的觀察人員可以通過觀察紅線的顏色與寬度推測裂紋的深度。滲透探傷技術(shù)實例：某壓縮機廠家對在用設(shè)備進行維護檢修時，對其中一非鐵磁性材料部件需進行滲透檢測，使用清洗劑、滲透劑和顯像劑，如圖11-14所示。白色顯像劑產(chǎn)生的涂膜構(gòu)成背底，缺陷部位著色滲透液形成了紅色缺陷顯示出缺陷痕跡，如圖11-15所示。圖11-15顯像裂紋11.2.2磁粉探傷技術(shù)圖11-12磁粉探傷裝置磁粉探傷是對開口型裂紋和淺層夾雜等缺陷有效的探傷技術(shù)。圖11-12顯示了磁粉探傷儀的電源箱和探傷鉗。磁粉探傷的原理（如圖11-13）所示：大電流通過繞在磁軛上的線圈，產(chǎn)生磁場。兩個分開的磁鉗與其接觸的鐵磁性材料（被探傷的鋼鐵類機械零件）共同組成磁力迴線的一部分，若鐵磁性材料在磁力迴線這部分區(qū)域內(nèi)存在裂紋等阻礙磁力線的情況，即大磁阻，在阻礙區(qū)域就會出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象。若在這種情況下，有低粘度的介質(zhì)（通常是煤油）裹挾著鐵磁性粉末流過漏磁線，則鐵磁性粉末被吸附到漏磁線上，形成一條黑線。顯示出裂紋的部位、走向、長度。磁粉探傷的優(yōu)勢在于不受材料表面的粗糙程度影響，常用于對焊縫的探傷。圖11-13磁粉探傷原理磁粉探傷的操作：市售的磁粉膏與煤油稀釋調(diào)和，探傷時用手壓式噴壺噴到磁鉗中間的區(qū)域流動，同時手按下磁鉗上部的開關(guān)，以接通電源。如果存在裂紋，磁粉則聚集在裂紋上。磁粉探傷的不足之處在于只能探測表面開口型裂紋和淺層的裂紋。

某廠家在生產(chǎn)過程中對一鋼鍛件十字頭體進行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷裂紋顯示如圖11-21所示。

圖11-21

裂紋顯示圖11-21中缺陷特征為鍛造裂紋，鍛造時用材不當、鍛造比小、溫度不合適等原因都可能產(chǎn)生鍛造裂紋。11.2.3超聲波探傷技術(shù)超聲波探傷有利用縱波和橫波兩種，只是利用不同探頭獲得所需的效果?？v波用于探測深部的裂紋，橫波沿材料的表面?zhèn)鞑ィ糜谔綔y探頭放不到的區(qū)域，如角焊的焊縫等。下面用縱波探傷為例，說明超聲波探傷的原理：如圖11-14所示

超聲波探頭縱波探傷圖圖11-14超聲波探傷原理缺陷反射波底部反射波缺陷反射波底部反射波表面反射波b.顯示屏波形超聲波直探頭垂直于被測金屬材料的表面，在探頭與被測面之間有耦合劑，通常是調(diào)好的化學漿糊或高粘度的潤滑油。探頭內(nèi)的壓電晶體在電壓的作用下，發(fā)出超聲波，通過耦合劑傳送到金屬的表面，同時反射第一道回波——表面反射波，超聲波穿透金屬表面，直到遇到金屬內(nèi)部的裂紋等缺陷，一部分反射——缺陷反射波，另一部分穿透缺陷，直到金屬材料的底部，因空氣的聲阻抗遠大于金屬材料，因此發(fā)生反射——底部反射波。如圖11-4a，以上所述在顯示屏上表現(xiàn)出來。缺陷反射波在表面反射波和底部反射波之間的位置，表現(xiàn)出缺陷所在的深度。探頭在探測面滑動，凡存在缺陷反射波的區(qū)域即為裂紋所包含的區(qū)域。沒有缺陷的區(qū)域，只有表面反射波和底部反射波。

超聲波探傷的優(yōu)勢在于可以探測金屬材料內(nèi)部的缺陷及范圍，同時也局限于聲阻低的金屬材料。同時也要注意：粗晶粒的材料對超聲波探測不利，特別是灰口鑄鐵，片狀石墨對超聲波的干擾很大，因此超聲波探傷不能用于鑄鐵的鑄件。利用超聲波對晶粒大小的敏感性，也可以用于無損檢測熱處理對金屬組織的效果。

使用耦合劑的原因在于探頭與被測金屬之間不許有空氣，空氣對超聲波的阻抗很大，幾乎不能穿透。耦合劑填充在探頭與金屬之間，驅(qū)離空氣，所以超聲波探傷對探測表面有一定的光潔度要求。有些表面無法滿足超聲波探傷對表面的要求，例如圖11-15的角焊接的焊縫。這就要利用橫波來探測焊接熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋，檢查焊接質(zhì)量。注意：在焊接部位金屬是熔成一體的，沒有圖中的那些界線。橫波探頭用的最多的地方是焊接的高壓化工球罐、橋梁鋼架等處。圖11-15橫波探傷示意圖某廠家在對機加工后的鑄件進行超聲波檢測。鑄件中典型的缺陷有縮孔、疏松、氣孔、裂紋、夾砂、偏析等。鑄鋼中較大的疏松與細孔的反射回波明顯，波形是單個的，有時是叢生的，這是由疏松間距和大小而定。如果是細而密的小疏松，聲能會發(fā)生漫散射，使底波消失；如果是大小摻雜的疏松，則既有較高的缺陷波，又有底波的明顯下降或消失。幾種常見缺陷及波形如圖11-26所示。a—裂紋；b—縮孔；c—夾砂；d—夾渣圖11-26鑄鋼中的缺陷及波形11.2.4射線探傷技術(shù)射線探傷技術(shù)利用x射線、γ射線對金屬的穿透能力，能比超聲波探測更深部分的金屬內(nèi)部缺陷。同時射線探傷留下相關(guān)的照片能經(jīng)得起嚴格的復(fù)檢，國際上通認為可以作為質(zhì)量索賠的證據(jù)。射線發(fā)射裝置是一個厚鉛構(gòu)成的圓筒，為防止對人體的傷害，在使用時嚴禁在射線方向上有人。射線穿過金屬材料，使材料背后的感光紙感光，如果材料內(nèi)沒有缺陷，則感光紙將均勻的曝光，如果存在缺陷，則缺陷處存在對射線的折射、吸收，使得穿透厚材料的射線強度減弱，在感光紙上留下曝光不足的痕跡。經(jīng)定影、洗像等工序后，得到缺陷的影像。某鋼鐵公司曾向德國奧鋼聯(lián)購買12根大型軋輥，價值昂貴，到貨后，用射線探傷技術(shù)檢查，發(fā)現(xiàn)其中10根存在內(nèi)部缺陷。將所獲像片寄到德國方面，提出索賠，德國方面看到像片后，立即重發(fā)了10根新軋輥。這件事告訴我們射線探傷的像片有很高的證據(jù)力。某壓力容器廠家在生產(chǎn)之前為確定工藝是否合理，焊接一塊工藝評定試板進行射線檢測，確認其內(nèi)部是否存在缺陷。使用MGi-320固定式X射線探傷機進行檢測，X射線探傷機顯現(xiàn)焊接試板缺陷如圖11-28所示，內(nèi)部見多處缺陷氣孔。圖11-28固定式X射線探傷機

圖11-29焊接試板

圖11-30

探測出的缺陷氣孔11.3油液分析技術(shù)油液分析包含物理指標分析、化學指標分析等，在機械故障診斷領(lǐng)域，油液分析技術(shù)主要是鐵譜分析技術(shù)。它是對油中機械磨損的殘余物質(zhì)進行分析的常用技術(shù)，在我國，鐵道系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用這一技術(shù)，診斷機車的磨損故障。NS圖11-16鐵譜樣片備制玻璃片鐵譜分析技術(shù)的原理如圖11-16所示。在機械設(shè)備的潤滑油回油管處取油樣10~12ml，取樣瓶只能用不與油樣發(fā)生化學反應(yīng)的玻璃瓶。用稀釋劑稀釋（常用的稀釋劑是汽油），用漏斗緩慢地滴到備樣的玻璃片上，玻璃片上制有圍導(dǎo)堰，并傾斜于下部的磁鐵，如圖11-16所示。油樣所流過的流道處于漸變的磁場，微小鐵磁性顆粒先沉積下來，大顆粒的鐵磁性顆粒在流體沖刷和重力作用下移動到磁力大的地方才沉積。這樣自然形成由小到大的排列，鐵譜分析的樣片才算完成。如果要作為設(shè)備的檔案資料長期保存，則還可以噴霧一層透明高分子膜給與固結(jié)。備制好的鐵譜樣片放到高倍顯微鏡下，觀察磨屑顆粒的形態(tài)，可以從磨粒的形態(tài)判斷磨損的程度。邊緣不規(guī)則，長、寬度在5μm以上，厚度大于3μm的顆粒是疲勞磨損的產(chǎn)物，其大小，密集程度反映了疲勞磨損的程度。厚度在1~3μm，較長的窄條顆粒是硬質(zhì)物體切削下來的，類似車屑的形態(tài)，同樣其大小，密集程度反映了磨料磨損的程度。在備制中，非鐵磁性有色金屬顆粒也會因沉積的鐵磁性顆粒的阻擋，留在玻璃片上，銀白色的來自鋁合金、巴氏合金等制成的滑動軸承，金紅色的來自銅合金制成的零件。通過這些觀察和記錄與前次的觀察記錄比較，就可以得出設(shè)備現(xiàn)在的狀態(tài)。鐵譜的定性分析是使用鐵譜顯微鏡對鐵譜樣片上沉積的顆粒形狀、尺寸大小、形貌和成分進行分析，建立磨損狀態(tài)類型和磨損顆粒形態(tài)的相互關(guān)系，判別磨損程度，確定失效情況和磨損部位的過程。鐵譜的定量分析是通過探測特定區(qū)域的遮光情況，用一個或幾個參數(shù)的數(shù)值來描述設(shè)備磨損特征和磨損狀態(tài)的方法，也是鐵譜診斷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。油液分析的實例：圖11-17磨粒比趨勢圖某路政公司利用鐵譜技術(shù)監(jiān)測攤鋪機液壓系統(tǒng)的磨損狀況。利用鐵譜技術(shù)對攤鋪機的液壓油進行了定期檢測，取油樣部位是液壓振搗馬達腔體的回油管；取油樣周期為15個工作日左右。自2002年5月28日起至2003年6月14日止，共采集了油液樣品16份。對液壓油的檢測讀數(shù)的變化趨勢見圖11-17。

其中曲線是大顆粒數(shù)量DL與小顆粒數(shù)量DS的比值，第5次與第6次的時間間隔較長，從鐵譜定量分析的結(jié)果看，液壓系統(tǒng)的磨損率較高，但在較短的時期內(nèi)基本上達到了相對穩(wěn)定的低磨損狀態(tài)。從油液樣品中出現(xiàn)的磨粒類型及分布情況來看，該機器在監(jiān)測運行前期的狀況與其處于磨合階段的磨損很類似，磨損率比較大，在加強對駕駛員的操作培訓和對機器的維護管理后，磨損情況有了一定的改善。但在5月中旬以后，大小磨粒讀數(shù)比率（DL/DS）居高不下，而且在后期的油樣中出現(xiàn)了個別尺寸比較大的鐵磁性粘著擦傷顆粒，說明在一定時期內(nèi)存在潤滑不良的現(xiàn)象；銅合金疲勞顆粒的出現(xiàn)說明滑履已磨損；鋁合金疲勞顆粒的增多和大尺寸切削顆粒的出現(xiàn)，說明液壓馬達軸套的鋁錫合金瓦有了較嚴重的磨損。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，我們對柱塞泵和液壓馬達進行了檢修，實際拆檢結(jié)果證實：柱塞泵有1個滑履磨損嚴重，已經(jīng)堵塞了其潤滑油孔，鄰近幾個柱塞的滑履磨損也比較嚴重；液壓馬達軸瓦的磨損相當嚴重。對于油液中的鋁、銅等弱磁性有色金屬磨粒和非磁性磨粒（如巴氏合金、橡膠密封件等），可在制備譜片時在樣品油液中加入納米級四氧化三鐵顆粒和表面活性劑來收集，此時的油液稀釋劑和固定劑宜選用四氯乙烯。液壓油中的顆粒有很大一部分是氟橡膠密封件的碎片，只有利用磁流體的磁化作用才能沉積氟橡膠碎片，達到判斷密封件狀況的目的。這樣，又擴大了鐵譜分析技術(shù)的應(yīng)用范圍，為更準確的故障診斷提供了更多的依據(jù)。

鐵譜分析技術(shù)中磨粒識別、判斷是最為重要又比較復(fù)雜困難的一個環(huán)節(jié)。對于應(yīng)用計算機處理這些工作，雖然已進行了許多智能化技術(shù)的開發(fā)研究，但離實用化還有一定距離，目前主要還是靠分析人員通過鐵譜顯微鏡觀察來完成。它要求分析人員具有摩擦學知識、失效分析及故障診斷學知識以及與被監(jiān)測的機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能等有關(guān)知識。通常根據(jù)磨粒的成分、尺寸、形狀及表面形貌的磨粒產(chǎn)生的原因，從而推斷磨損機理，為故障診斷提供依據(jù)。11.4紅外熱像技術(shù)紅外熱像技術(shù)又稱為紅外熱成像技術(shù)，是能夠?qū)⑽矬w發(fā)出的紅外輻射熱轉(zhuǎn)變成可見圖像的技術(shù)。主要用于工業(yè)爐窯的狀態(tài)及電控柜的狀態(tài)監(jiān)測，它將對溫度的監(jiān)測從點狀監(jiān)測變?yōu)閷囟葓龅谋O(jiān)測。無論在工業(yè)上還是軍事上都有廣泛的應(yīng)用前景。正常工作的電控柜，只要有電流流過，各元器件必然存在電阻，損耗的電功率以發(fā)熱的形式散發(fā)，在電控柜內(nèi)形成一定的熱圖像。如果剛測到的熱圖像反映出異常的溫度點，無論是升高或降低，都意味著電流的流動出現(xiàn)不正常，異常的溫度點的對應(yīng)部位存在故障。溫度降低，意味著通過電流下降甚至斷流；溫度升高，意味著元器件的電阻值增大，都是應(yīng)及時處理的故障隱患。深紅大紅桔紅淺紅黃紅圖11-18煉鋼轉(zhuǎn)爐的熱圖像圖11-18是煉鋼轉(zhuǎn)爐的熱圖像，轉(zhuǎn)爐在煉鋼過程中，上部的吹氧管沖出的氧氣攪動鋼水翻騰，使爐內(nèi)的耐火爐襯因沖刷而減薄，如果減薄到一定程度，將發(fā)生漏鋼等惡性事故。泄漏的鋼水一旦接觸到含水的地面或混凝土都將引起爆炸，1500多℃的鋼水無論濺到什么地方都是一場大火?，F(xiàn)代大型煉鋼廠一爐鋼水都在百噸以上，漏在地上有幾百平方米，而鋼廠的地面也有大量的設(shè)備，如液壓連鑄機、鋼坯輸送機等。在圖11-18中，根據(jù)從爐內(nèi)傳出的熱量大小使爐壁呈現(xiàn)不同的溫度，溫度在熱圖像中是用不同的顏色表示。圖中深紅色的區(qū)域溫度最高，即爐壁最薄處?，F(xiàn)代鋼廠為延長轉(zhuǎn)爐的使用壽命，普遍采用了爐壁噴補技術(shù)，每出完