超声波检测基本知识
背景
几乎所有工件都内部缺陷和近表面缺陷都可以用超声波进行无损检测。超声波检测对于与安全或人生相关的重要零部件的检测都是至关重要的。此外，超声波设备还可以进行工件厚度的测量，最著名的就是超声波测厚仪。
主要应用为:
- 焊接接头的检测
- 铸件缺陷检测和质量控制
- 自动检测设备对简单几何形状的工件进行大批量检测，例如钢、有色金属和塑料的半成品（圆形棒材、坯料、型材、板材和管材等）
- 管道、锅炉和化工厂的壁厚测量。在只能从工件一侧进行测量且无法使用卡尺的地方，使用超声波进行壁厚测量就非常方便实用了。
超声波检测的优点
- 检测工件内部和近表面缺陷
- 可以对所有具有良好导声性能的材料进行检测（如必要可达10 m）
- 可实现自动化检测
- 无需遵守特殊的辐射防护规定
- 也可检测表面缺陷（如分层、裂纹、表面粘合缺陷等）
原理
超声波是一种频率超过人类听力范围的声波，即 高于20,000赫兹（= 20 kHz）。超声波检测所使用的主要频率范围是0.5 MHz至10 MHz，远高于人耳听力范围。在特殊应用中，超声检测频率也可能会用10 MHz以上或0.5 MHz以下。
详细描述
当超声波入射到两种介质（介质1和介质2之间的）界面时，一部分声波被反射，另外一部分被透射。反射和透射的比例有多大取决于两种介质之间的差异（例如：声速和密度）。超声波在入射到钢和空气界面时， 由于钢和空气的差异非常大，超声波几乎100％都会被反射。
工件内部的典型缺陷主要是气孔、缩孔、裂缝等。 为了确保超声波探头发射出的超声波能非常良好的进入到被检工件中，通常需要在探头和工件之间涂抹液体耦合介质（如：水、油、凝胶等）。对于自动化检测，通常可以将包括探头在内的整个检测组件浸入水中。
材料的声速是一个常数，如空气中的声速为330 m / s（0°C时，如温度到20°C时，空气声速为344 m / s），钢中的声速为5920 m / s。 如果已知待检材料的声速，则可以从超声波的传播时间来非常精确地推导出缺陷的深度位置。如果测量出超声波传导到工件底面的运行时间，就可以非常精确点测量出工件的壁厚。这样的壁厚测量，其分辨率可以精确到微米。超声波测厚仪就是根据该原理生产的一种专用设备。
超声波检测还不能非常精确的对于缺陷的大小尺寸进行确定，到目前为止，还没有非常精确的方法。目前通用的方法是，将超声波反射回波的振幅高度与人工缺陷（圆盘状的反射体或圆柱状的反射体等）的反射回波振幅高度进行比较。但是，前提条件是自然缺陷（以及人工缺陷）都能被检测到。
超声波能发现缺陷的能力是由所使用的超声波波长范围决定的。在条件良好的情况下，该范围可以从零点几毫米开始。在检测条件不好的时候，有可能只能发现毫米级的缺陷。
对于焊缝内缺陷的检测通常采用斜探头。通常焊缝有余高，直探头无法保证良好的耦合，所以直探头就无法对焊缝内部进行可靠的检测。斜探头入射角则取决于要检测的缺陷深度为止和工件的壁厚（必须保证从有利的方向上对缺陷进行扫查）。
材料声学性能
在下表中可以找到有关各种材料的声学材料特性信息，例如纵波和横波声速、密度和声阻抗等。
表中列出的声速、密度和声阻抗值适用于室温（20°C至23°C）。由于材料成分、晶体取向、孔隙率和温度而导致的变化是可能的。
资料来源：《超声波测试》（德国，普拉特，沃格特），施普林格出版社，1997年
金属制品
| 金属制品 | 音速 （纵波） cl [m/s] |
音速 （横波） cl [m/s] |
密度 [103 kg/m3] |
声学的 阻抗 [106 kg/m2s] |
| 铝 | 6200 – 6360 | 3100 – 3130 | 2,7 | 16,7 – 17,2 |
| 铍 | 12720 – 12890 | 8330 – 8880 | 1,82 – 1,87 | 23,2 – 24,1 |
| 铅 | 2050 – 2400 | 700 – 710 | 11,3 – 11,7 | 23,2 – 28,1 |
| 铁 | 5950 | 3220 – 3240 | 7,9 | 47,0 |
| 金 | 3240 | 1200 | 19,7 | 63,8 |
| 灰铸铁 | 3500 – 5600 | 2200 – 3200 | 7,2 | 25,2 – 40,3 |
| 铸铁 | 3500 – 5800 | 2200 – 3200 | 6,9 –7,3 | 24,2 – 42,3 |
| 硬质合金 | 6800 – 7300 | 4000 – 4700 | 11,0 – 15,0 | 74,8 – 109,5 |
| 镉 | 2665 – 3300 | 1500 – 1810 | 8,6 – 8,7 | 22,9 – 28,5 |
| 康铜 | 5240 | 2640 | 8,8 | 46,1 |
| 铜 | 3666 – 4760 | 2260 – 2320 | 8,9 | 32,6 – 42,4 |
| 镁 | 4602 – 5900 | 3050 – 3280 | 1,70 – 1,75 | 7,8 – 10,3 |
| 黄铜（Ms58） | 3830 – 4250 | 2050 – 2200 | 8,1 | 31,0 – 34,4 |
| 钼 | 6250 – 6650 | 3350 – 3510 | 10,1 – 10,2 | 63,1 – 67,8 |
| 镍 | 4973 – 6040 | 2960 – 3219 | 8,8 – 8,9 | 43,8 – 53,8 |
| 铂 | 3960 – 4080 | 1670 – 1730 | 21,4 | 84,7 – 87,3 |
| 银 | 3600 – 3790 | 1590 – 1690 | 10,4 | 37,4 – 39,4 |
| 钛 | 5823 – 6260 | 2920 – 3215 | 4,5 | 26,2 – 28,2 |
| 锌 | 3890 – 4210 | 2290 – 2440 | 7,1 | 27,6 – 29,9 |
| 锡 | 3210 – 3320 | 1530 – 1670 | 7,3 | 23,4 – 24,2 |
非金属
| 非金属 | 音速 （纵波） cl [m/s] |
音速 （横波） cl [m/s] |
密度 [103 kg/m3] |
声学的 阻抗 [106 kg/m2s] |
| 氧化铝 | 9000 – 11000 | 5500 – 6500 | 3,6 – 3,95 | 32,4 – 43,5 |
| 冰 (H2O bei -4 °C) |
3232 – 3980 | 1990 | 0,9 | 2,9 – 3,6 |
| 环氧树脂 | 2400 – 2900 | 1100 | 1,1 – 1,25 | 2,64 – 3,63 |
| 玻璃（窗玻璃） | 5770 | 3430 | 2,51 | 14,5 |
| 玻璃（石英玻璃） | 5570 – 5930 | 3415 – 3750 | 2,6 | 14,5 – 15,4 |
| 石墨，压制 | 1600 – 2500 | 1200 – 1500 | 1,7 – 2,3 | 2,72 – 5,8 |
| 硬橡胶 | 1570 – 2300 | – | 1,2 | 1,88 – 2,76 |
| 橡胶，软的 | 1480 – 1550 | – | 0,90 – 0,95 | 1,33 – 1,47 |
| PA（聚酰胺） | 1800 – 2600 | 1100 – 1200 | 1,1 – 1,2 | 1,98 – 3,12 |
| PE（聚乙烯） | 1950 – 2000 | 540 | 0,9 | 1,76 – 1,80 |
| PMMA（有机玻璃®） | 2670 – 2760 | 1120 – 1430 | 1,18 | 3,2 – 3,3 |
| 瓷 | 5600 – 6200 | 3500 – 3700 | 2,4 – 2,5 | 13,4 – 15,5 |
| 聚苯乙烯 | 2337 – 2350 | 1020 – 1150 | 1,05 – 1,06 | 2,45 – 2,49 |
| PVDF（聚偏二氟乙烯） | 2200 | 775 | 1,78 | 3,9 |
| 聚四氟乙烯（Teflon®） | 1350 | 550 | 2,2 | 2,97 |
| PVC（聚氯乙烯） | 2180 – 2260 | 948 | 1,38 – 1,40 | 3,0 – 3,2 |
| 石英晶体 | 5760 | 3840 | 2,65 | 15,2 |
钢
| 钢 | 音速 （纵波） cl [m/s] |
音速 （横波） cl [m/s] |
密度 [103 kg/m3] |
声学的 阻抗 [106 kg/m2s] |
| 低碳钢，最高0.2％C的非合金， e. g. St 52-3 n. DIN 54120 退火的 |
5890 – 5950 | 3240 – 3270 | 7,85 | 46,2 – 46,7 |
| 退火至0.5％C | 5940 – 5960 | 3230 – 3245 | 7,8 – 7,85 | 46,3 – 46,8 |
| 合金软钢（0.35％C，0.6％Mn，1％Cr，0.2％Mo） | ||||
| 退火的 有偿的 硬化 |
5950 5930 5900 |
3260 3240 3230 |
7,84 7,84 7,84 |
46,6 46,5 46,3 |
| 合金钢（0.3％C，0.4％Mn，2％Cr，2％Ni，0.2％Mo）的低碳钢 退火的 有偿的 硬化 |
5930 5870 – 5880 5890 |
3220 3210 3210 |
7,85 7,85 7,85 |
46,6 46,1 – 46,2 46,2 |
| 球轴承钢（1％C，1.5％Cr） | 5990 | 3270 | 7,8 | 46,7 |
| 奥氏体不锈钢 | ||||
| （X 10 Cr Ni 18 8）退火 | 5530 | 2983 | 7,9 | 43,7 |
| (X 10 Cr Ni Nb 18 9) | 5790 | 3100 | 7,8 – 7,9 | 45,2 – 45,7 |
| (X 12 Cr Ni 18 8) | 5660 | 3120 | 7,8 | 44,1 |
| 铁素体不锈钢 （0.15％C，17％Cr）退火 |
6010 | 3360 | 7,7 – 7,9 | 46,3 – 47,5 |
| 高速钢 | ||||
| (0,9% C, 4% Cr, 2,5% Mo, 2,5% V, 3% W) | ||||
| 退火的 | 6060 | 3850 | – | – |
| 硬化 | 5880 | 3190 | – | – |
| 工具钢（1％C） | ||||
| 退火的 | 5940 – 5960 | 3220 – 3245 | 7,8 – 7,84 | 46,3 – 46,7 |
| 硬化 | 5854 | 3150 | 7,84 | 45,9 |
| 工具钢（2％C，12％Cr，0.6％W） | ||||
| 退火的 | 6140 | 3310 | 7,75 – 7,8 | 47,6 – 47,9 |
| 硬化 | 6010 | 3220 | 7,75 | 46,6 |
更多信息
此外，可以在我们的视频“超声材料测试”中找到有关超声检测的更多信息。