透射波半高度法测量裂纹高度的研究

　　0 引 言

　　近年来，以断裂力学为基础的安全评定技术，在保障设备安全运行方面发挥了重要的作用，取得良好的经济效益，该技术受到了较多的关注并有所发展[1-2]。进行安全评定的重要前提是必须测定缺陷的尺度，尤其是裂纹长度和高度。材料在使用过程中产生的裂纹绝大多数是从外表面开始的，例如疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹。在加工过程中产生的裂纹也有很大一部分是从表面开始的，例如淬火裂纹和磨削裂纹。所以需要测定高度的裂纹当中有很大一部分是表面裂纹，在许多情况下，裂纹是经过磁粉、渗透、或目视检测被确认之后，由主管部门提出要求测量裂纹高度。为了测定裂纹高度，曾经开发过多种测量方法，例如直流电位差法和交流电位差法。这两种方法常常统称“四探针法”，国外称交流电位差法为ACPD(alternative current potential drop)。对这两种方法曾经做过大量的研究[3]，但是由于探针与工件间的接触电阻变化大，很难控制，加之裂纹引起的电位差除与裂纹高度有关之外，还与裂纹形状和紧闭程度有较强的依赖关系，一般情况下电位差法的测量误差较大，目前这两种方法已经消失。近年来，最热门的测定裂纹高度的技术是衍射时差法(time offlight diffraction，TOFD)[4-5]。TOFD 大量应用于焊缝探伤，并非用于测定裂纹高度，本文研究一种用透射波半高度法来测量裂纹高度的方法。

　　1 测量方法及其原理

　　为了满足测量裂纹高度的要求，提出一种用普通的超声探伤仪和普通的斜探头测定裂纹高度的方法，对这种方法进行了实验研究，并取名为“透射波半高度法”。这种方法的主要优点是：不需要专用设备，只要是从事超声探伤业务的单位都有条件作这种测量;无盲区，无论裂纹在工件厚度方向位置如何，都能测量它的高度;表面裂纹和内部裂纹都能测量，还能测量倾斜裂纹的倾斜角度[6]。与TOFD 方法相比，这种方法的主要缺点是测量误差稍大，根据测量线切割槽深度的实验结果估计，测量裂纹高度的误差大约在±2mm。

　　简单地说，透射波半高度法就是用两支探头，分别用来发射和接收超声脉冲，利用裂纹对声束的遮挡作用测量裂纹高度，如图1所示。

　　透射波半高度法测量裂纹高度的前提是工件的两个相对的表面要互相平行。如图1 所示，将两支相同的斜探头耦合到工件表面上，一个(ST)用于发射，另一个(SR)用于接收。在工件的完好区域，当两个探头发射点之间距离L 满足式(1)，并且两者的声轴重合，此时收到的透射波幅度达到最高值Pmax。