CN111751396A - 一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，该方法包括以下步骤：步骤一、缺陷检测：将待检测机械结构件放置在电子加速器的靶头前照射，用探测器对待检测机械结构件进行探测；步骤二、缺陷定位：两个探测器按预设角度接收待检测机械结构件湮灭放出511keV光子，并两个能谱通过三维合成云图，通过云图展示受检机械结构件的缺陷位置；步骤三、S参数计算：光谱的定性分析图，即得到可反映材料劣化信息的S参数；步骤四、缺陷情况分析：对于有缺陷的待检测机械结构件，由于电子的动量小，造成的多普勒展宽小，得到的S参数大。本发明具有根据所放出的γ射线强度，评估材料的劣化情形的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，尤其是一种具有根据所放出的γ射线强度，评估材料的劣化情形的机械结构件微结构损伤失效检测分析方法。
背景技术
无损检测是提高发动机可靠性的重要手段，也是确定其寿命的重要环节。目前国内外大多传统的非破坏性检验方法，如电涡流和X射线法，仅在可见裂纹或者缺陷已扩展到裂纹发生阶段之后是有用的。不能检测在裂纹发生前原子层的疲劳、脆裂及材料晶格损坏。
例如，目前机场机械结构件的检查方法，不外乎目视(VT，包括内视镜)、磁粉探伤(MT)、液渗检测(PT)、超声波检测(UT)等非破坏性检测方法，某些小型的零部件，例如燃气涡轮发电机叶片，可以用X光辐射(RT)技术来检测缺陷，但这些方法必须在组件缺陷发展到一定大小或范围时才能发现，举例来说以上述各种方法检查，对于0.3mm以下的裂纹可能就难以发现，因此对高危的飞行来讲，就存在一定的风险；有必要建立更灵敏且更早发现缺陷的方法和技术手段。
相较上述方法更为微观的还有光学显微镜或电子显微镜分析，另外材料硬度值或X光绕射光谱的变化，有时则透露了细微的性质改变，例如硬化、软化、残留应力或其他的材质劣化现象。
正电子是电子的反粒子，与电子质量相同电性相反，正电子与受检材料中的电子相遇时产生湮没，可以产生1～3个γ光子，其中产生2个γ光子的概率最大；从入射源发射出的正电子能量很高，大约在几百keV到几MeV之间；当进入材料后通过电离、原子激发等损失能量，在几ps内，动能降到kT级，这个过程称为热化，热化后的正电子在材料中自由扩散或与电子湮没。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有根据所放出的γ射线强度，评估材料的劣化情形的机械结构件微结构损伤失效检测分析方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、缺陷检测：将待检测机械结构件放置在电子加速器的靶头前照射，照射完毕后，将待检测机械结构件传送到探测器位置，用探测器对待检测机械结构件进行探测；
所述探测用的探测器有两个，两个高能锗探测器按预设角度θ，从不同方向探测机械结构件内层；
步骤二、缺陷定位：两个探测器按预设角度接收待检测机械结构件湮灭放出511keV光子，探测器的输出信号供给后续电路的放大器和多道分析器，将脉冲电压数字化，得到两个能谱，并两个能谱通过三维合成云图，通过云图展示受检机械结构件的缺陷位置；
步骤三、S参数计算：光谱的定性分析图，将所得到的特定光谱积分除以总背景值，即得到可反映材料劣化信息的S参数；
根据能谱的多普勒展宽，用S参数和半宽度(FWHM)衡量，S参数的计算公式为：
S参数为能谱中间偏离511keV较小部分的面积比上整个能谱的面积；半宽度分析是511keV的能谱最大高度的一半处所对应的宽度，利用S参数法对能谱进行分析；该方法分析能谱中不同部分所占的比重，将511keV的能谱分为A、B、C三个部分；
步骤四、缺陷情况分析：A、B、C在能谱区域划分并非是确定的，一般根据实际情况来进行调整；对于有缺陷的待检测机械结构件，由于电子的动量小，造成的多普勒展宽小，因此能谱中A区的比例大，而B与C部分相对小，这样得到的S参数大；反之，待检测机械结构件中的缺陷较少，则A区的比例小，B与C部分的比例大，则S参数小；
所述电子加速器的能量范围为40keV～10MeV；
所述探测器为高能锗探测器。
本发明提供了一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，具有根据所放出的γ射线强度，评估材料的劣化情形的特点。本发明的有益效果：正电子将在缺陷区域与低能量的负电子相碰撞并被阳极化，湮没，并以γ射线的形式释放能量；机械结构件状况不同，γ射线所释放的能量频谱也不同，材料中缺陷的大小、数量和类型极易识别；通过对γ射线光谱的响应数据和该方法，可以得到缺陷的特征参数，即定量评估疲劳或脆裂损坏值；通过采用coincidence lifetime method重合寿命法，不仅可获得有关缺陷数据，而且可获得缺陷的形式、位置、尺寸、密度等数据；正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，因此采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测，这使得正电子湮灭分析技术对大体积物体的检测受到了限制；
所述探测用的探测器有两个，两个高能锗探测器按预设角度θ，从不同方向探测机械结构件内层；电子加速器打靶能产生数量更多、能量更高的X射线，能提高实验的灵敏度；同时考虑探测器在不同观测角θ下的实验结果，通过加速器工作状态为管电流、频率、脉冲宽度，换算得到每脉冲时间探测得到的光子数；加速器能量越高，相应灵敏度越高。对于待测铁质结构件，4MeV电子加速器实验的灵敏度较低，再经硬化后会进一步降低；7MeV加速器的灵敏度比4MeV高10倍以上，较为理想，且能给屏蔽硬化提供足够的空间；
通过计算S参数，可以实现对能谱中电子动量的分析，进而判断材料的缺陷情况；
测试温度拉伸速率、最大抗拉强度及最大延伸率等参数对S参数的影响如下：
(1)随着测试温度的提高，S参数增大，显示随着低动量的电子增多，样品的缺陷增多；
(2)随着拉伸速率的提高，S参数呈下降趋势，也就是说，拉伸导致材料出现缺陷的程度随拉伸速率加快而减小在较快的拉伸速率下，试件内部的微缺陷(微孔洞、微裂纹)尚未充分生成和发展，就由于局部应力大于其强度而出现断裂，导致此时材料的缺陷较少，S参数也较小；
(3)最大抗拉强度高的样品，其S参数比最大抗拉强度低的要小，显示样品在拉伸过程中出现的缺陷较少；最大延伸率大的样品，其S参数也较大，最大抗拉强度越高说明推进剂各分子之间的作用力及分子的键合力越大，推进剂越不易被破坏；
所述电子加速器的能量范围为40keV～10MeV；用能量较低的电子加速器产生轫致辐射X射线，经准直后照射待检测机械结构件，在待检测机械结构件内部通过电子对效应产生正电子，同时也避免了光核反应的诸多问题；以高能光束透过靶机，撞击材料时，会使得待检测机械结构件放出特定光谱及电子并形成正电子，撞击产生的正电子在材料内部扩散，遇到自由电子时会与其结合并放出特定波长的511keVγ射线；由于金属材料内的自由电子数量与材料内部的空孔、差排、硬化及劣化等现象有关，因此根据所放出的γ射线强度，可以评估材料的劣化情形。
即将特定材料先予以射线照射形成同位素，再将该放射源材料贴于待检测机械结构件表面，放射源材料的正电子会在材料内部扩散，遇到自由电子时便会与其结合并放出特定的γ射线，所以只要将射线探测器靠近待检测机械结构件便可；目前较常用的放射源材料有钠22、铜63/62、镓68等3种，以上三种不同放射源材料采用的激发能量范围在0.5MeV～2.9MeV之间。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法的框架图；
图2为为本发明一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法的探测器探测方式；
图3本发明一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法的S参数定义多普勒展宽谱。
具体实施方式
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
步骤一、缺陷检测：将待检测机械结构件放置在电子加速器的靶头前照射，照射完毕后，将待检测机械结构件传送到探测器位置，用探测器对待检测机械结构件进行探测；被电子加速器照射的待检测机械结构件，会形成放射性，放出正电子，正电子在样品中湮灭放出511keV的光子，并被探测器接收；对于浅层机械结构件的检测与探伤，应用光子感应正电子湮没的技术，首先是对受检机械结构件进行深入的光子，X光探伤探测；当X光进入机械结构件当中后，会将机械结构件的部分原子结构中的中子碰撞出；原子失去中子后，会变成一种同位素，开始衰减并在一段时间内产生正电子，如机械结构件不存在缺陷，正电子将分配得非常均匀，在材料自由体积，物质中未被分子占据的体积Vf，以“孔穴”的形式分散于整个物质之中；正是由于Vf的存在，分子链才能产生运动中随机运动；如机械结构件有缺陷，正电子开始减速并在缺陷区域停下来；最终，正电子将在缺陷区域与低能量的负电子相碰撞并被阳极化，湮没，并以γ射线的形式释放能量；机械结构件状况不同，γ射线所释放的能量频谱也不同，材料中缺陷的大小、数量和类型极易识别；通过对γ射线光谱的响应数据和该方法，可以得到缺陷的特征参数，即定量评估疲劳或脆裂损坏值；通过采用coincidencelifetime method重合寿命法，不仅可获得有关缺陷数据，而且可获得缺陷的形式、位置、尺寸、密度等数据；正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，因此采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测，这使得正电子湮灭分析技术对大体积物体的检测受到了限制；
如图2，所述探测用的探测器有两个，两个高能锗探测器按预设角度θ，从不同方向探测机械结构件内层；电子加速器打靶能产生数量更多、能量更高的X射线，能提高实验的灵敏度；同时考虑探测器在不同观测角θ下的实验结果，通过加速器工作状态为管电流、频率、脉冲宽度，换算得到每脉冲时间探测得到的光子数；加速器能量越高，相应灵敏度越高。对于待测铁质结构件，4MeV电子加速器实验的灵敏度较低，再经硬化后会进一步降低；7MeV加速器的灵敏度比4MeV高10倍以上，较为理想，且能给屏蔽硬化提供足够的空间；
步骤二、缺陷定位：两个探测器按预设角度接收待检测机械结构件湮灭放出511keV光子，探测器的输出信号供给后续电路的放大器和多道分析器，将脉冲电压数字化，得到两个能谱，并两个能谱通过三维合成云图，通过云图展示受检机械结构件的缺陷位置；
步骤三、S参数计算：如图3，光谱的定性分析图，将所得到的特定光谱积分除以总背景值，即得到可反映材料劣化信息的S参数；
根据能谱的多普勒展宽，用S参数和半宽度(FWHM)衡量，S参数的计算公式为：
S参数为能谱中间偏离511keV较小部分的面积比上整个能谱的面积；半宽度分析是511keV的能谱最大高度的一半处所对应的宽度，利用S参数法对能谱进行分析；该方法分析能谱中不同部分所占的比重，将511keV的能谱分为A、B、C三个部分；
步骤四、缺陷情况分析：A、B、C在能谱区域划分并非是确定的，一般根据实际情况来进行调整；对于有缺陷的待检测机械结构件，由于电子的动量小，造成的多普勒展宽小，因此能谱中A区的比例大，而B与C部分相对小，这样得到的S参数大；反之，待检测机械结构件中的缺陷较少，则A区的比例小，B与C部分的比例大，则S参数小；通过计算S参数，可以实现对能谱中电子动量的分析，进而判断材料的缺陷情况；
测试温度拉伸速率、最大抗拉强度及最大延伸率等参数对S参数的影响如下：
(1)随着测试温度的提高，S参数增大，显示随着低动量的电子增多，样品的缺陷增多；
(2)随着拉伸速率的提高，S参数呈下降趋势，也就是说，拉伸导致材料出现缺陷的程度随拉伸速率加快而减小在较快的拉伸速率下，试件内部的微缺陷(微孔洞、微裂纹)尚未充分生成和发展，就由于局部应力大于其强度而出现断裂，导致此时材料的缺陷较少，S参数也较小；
(3)最大抗拉强度高的样品，其S参数比最大抗拉强度低的要小，显示样品在拉伸过程中出现的缺陷较少；最大延伸率大的样品，其S参数也较大，最大抗拉强度越高说明推进剂各分子之间的作用力及分子的键合力越大，推进剂越不易被破坏；
所述电子加速器的能量范围为40keV～10MeV；用能量较低的电子加速器产生轫致辐射X射线，经准直后照射待检测机械结构件，在待检测机械结构件内部通过电子对效应产生正电子，同时也避免了光核反应的诸多问题；以高能光束透过靶机，撞击材料时，会使得待检测机械结构件放出特定光谱及电子并形成正电子，撞击产生的正电子在材料内部扩散，遇到自由电子时会与其结合并放出特定波长的511keVγ射线；由于金属材料内的自由电子数量与材料内部的空孔、差排、硬化及劣化等现象有关，因此根据所放出的γ射线强度，可以评估材料的劣化情形。
即将特定材料先予以射线照射形成同位素，再将该放射源材料贴于待检测机械结构件表面，放射源材料的正电子会在材料内部扩散，遇到自由电子时便会与其结合并放出特定的γ射线，所以只要将射线探测器靠近待检测机械结构件便可；目前较常用的放射源材料有钠22、铜63/62、镓68等3种，以上三种不同放射源材料采用的激发能量范围在0.5MeV～2.9MeV之间；
所述探测器为高能锗探测器。
本发明的工作原理：
本发明中，被电子加速器照射的待检测机械结构件，会形成放射性，放出正电子，正电子在样品中湮灭放出511keV的光子，并被探测器接收；对于浅层机械结构件的检测与探伤，应用光子感应正电子湮没的技术，首先是对受检机械结构件进行深入的光子，X光探伤探测；当X光进入机械结构件当中后，会将机械结构件的部分原子结构中的中子碰撞出；原子失去中子后，会变成一种同位素，开始衰减并在一段时间内产生正电子，如机械结构件不存在缺陷，正电子将分配得非常均匀，在材料自由体积，物质中未被分子占据的体积Vf，以“孔穴”的形式分散于整个物质之中；正是由于Vf的存在，分子链才能产生运动中随机运动；如机械结构件有缺陷，正电子开始减速并在缺陷区域停下来；最终，正电子将在缺陷区域与低能量的负电子相碰撞并被阳极化，湮没，并以γ射线的形式释放能量；机械结构件状况不同，γ射线所释放的能量频谱也不同，材料中缺陷的大小、数量和类型极易识别；通过对γ射线光谱的响应数据和该方法，可以得到缺陷的特征参数，即定量评估疲劳或脆裂损坏值；通过采用coincidence lifetime method重合寿命法，不仅可获得有关缺陷数据，而且可获得缺陷的形式、位置、尺寸、密度等数据；正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，因此采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测，这使得正电子湮灭分析技术对大体积物体的检测受到了限制；
所述探测用的探测器有两个，两个高能锗探测器按预设角度θ，从不同方向探测机械结构件内层；电子加速器打靶能产生数量更多、能量更高的X射线，能提高实验的灵敏度；同时考虑探测器在不同观测角θ下的实验结果，通过加速器工作状态为管电流、频率、脉冲宽度，换算得到每脉冲时间探测得到的光子数；加速器能量越高，相应灵敏度越高。对于待测铁质结构件，4MeV电子加速器实验的灵敏度较低，再经硬化后会进一步降低；7MeV加速器的灵敏度比4MeV高10倍以上，较为理想，且能给屏蔽硬化提供足够的空间；
通过计算S参数，可以实现对能谱中电子动量的分析，进而判断材料的缺陷情况；
测试温度拉伸速率、最大抗拉强度及最大延伸率等参数对S参数的影响如下：
(1)随着测试温度的提高，S参数增大，显示随着低动量的电子增多，样品的缺陷增多；
(2)随着拉伸速率的提高，S参数呈下降趋势，也就是说，拉伸导致材料出现缺陷的程度随拉伸速率加快而减小在较快的拉伸速率下，试件内部的微缺陷(微孔洞、微裂纹)尚未充分生成和发展，就由于局部应力大于其强度而出现断裂，导致此时材料的缺陷较少，S参数也较小；
(3)最大抗拉强度高的样品，其S参数比最大抗拉强度低的要小，显示样品在拉伸过程中出现的缺陷较少；最大延伸率大的样品，其S参数也较大，最大抗拉强度越高说明推进剂各分子之间的作用力及分子的键合力越大，推进剂越不易被破坏；
所述电子加速器的能量范围为40keV～10MeV；用能量较低的电子加速器产生轫致辐射X射线，经准直后照射待检测机械结构件，在待检测机械结构件内部通过电子对效应产生正电子，同时也避免了光核反应的诸多问题；以高能光束透过靶机，撞击材料时，会使得待检测机械结构件放出特定光谱及电子并形成正电子，撞击产生的正电子在材料内部扩散，遇到自由电子时会与其结合并放出特定波长的511keVγ射线；由于金属材料内的自由电子数量与材料内部的空孔、差排、硬化及劣化等现象有关，因此根据所放出的γ射线强度，可以评估材料的劣化情形。
即将特定材料先予以射线照射形成同位素，再将该放射源材料贴于待检测机械结构件表面，放射源材料的正电子会在材料内部扩散，遇到自由电子时便会与其结合并放出特定的γ射线，所以只要将射线探测器靠近待检测机械结构件便可；目前较常用的放射源材料有钠22、铜63/62、镓68等3种，以上三种不同放射源材料采用的激发能量范围在0.5MeV～2.9MeV之间。
本发明提供了一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，具有根据所放出的γ射线强度，评估材料的劣化情形的特点。本发明的有益效果：正电子将在缺陷区域与低能量的负电子相碰撞并被阳极化，湮没，并以γ射线的形式释放能量；机械结构件状况不同，γ射线所释放的能量频谱也不同，材料中缺陷的大小、数量和类型极易识别；通过对γ射线光谱的响应数据和该方法，可以得到缺陷的特征参数，即定量评估疲劳或脆裂损坏值；通过采用coincidence lifetime method重合寿命法，不仅可获得有关缺陷数据，而且可获得缺陷的形式、位置、尺寸、密度等数据；正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，因此采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测，这使得正电子湮灭分析技术对大体积物体的检测受到了限制；
所述探测用的探测器有两个，两个高能锗探测器按预设角度θ，从不同方向探测机械结构件内层；电子加速器打靶能产生数量更多、能量更高的X射线，能提高实验的灵敏度；同时考虑探测器在不同观测角θ下的实验结果，通过加速器工作状态为管电流、频率、脉冲宽度，换算得到每脉冲时间探测得到的光子数；加速器能量越高，相应灵敏度越高。对于待测铁质结构件，4MeV电子加速器实验的灵敏度较低，再经硬化后会进一步降低；7MeV加速器的灵敏度比4MeV高10倍以上，较为理想，且能给屏蔽硬化提供足够的空间；
通过计算S参数，可以实现对能谱中电子动量的分析，进而判断材料的缺陷情况；
测试温度拉伸速率、最大抗拉强度及最大延伸率等参数对S参数的影响如下：
(1)随着测试温度的提高，S参数增大，显示随着低动量的电子增多，样品的缺陷增多；
(2)随着拉伸速率的提高，S参数呈下降趋势，也就是说，拉伸导致材料出现缺陷的程度随拉伸速率加快而减小在较快的拉伸速率下，试件内部的微缺陷(微孔洞、微裂纹)尚未充分生成和发展，就由于局部应力大于其强度而出现断裂，导致此时材料的缺陷较少，S参数也较小；
(3)最大抗拉强度高的样品，其S参数比最大抗拉强度低的要小，显示样品在拉伸过程中出现的缺陷较少；最大延伸率大的样品，其S参数也较大，最大抗拉强度越高说明推进剂各分子之间的作用力及分子的键合力越大，推进剂越不易被破坏；
所述电子加速器的能量范围为40keV～10MeV；用能量较低的电子加速器产生轫致辐射X射线，经准直后照射待检测机械结构件，在待检测机械结构件内部通过电子对效应产生正电子，同时也避免了光核反应的诸多问题；以高能光束透过靶机，撞击材料时，会使得待检测机械结构件放出特定光谱及电子并形成正电子，撞击产生的正电子在材料内部扩散，遇到自由电子时会与其结合并放出特定波长的511keVγ射线；由于金属材料内的自由电子数量与材料内部的空孔、差排、硬化及劣化等现象有关，因此根据所放出的γ射线强度，可以评估材料的劣化情形。
即将特定材料先予以射线照射形成同位素，再将该放射源材料贴于待检测机械结构件表面，放射源材料的正电子会在材料内部扩散，遇到自由电子时便会与其结合并放出特定的γ射线，所以只要将射线探测器靠近待检测机械结构件便可；目前较常用的放射源材料有钠22、铜63/62、镓68等3种，以上三种不同放射源材料采用的激发能量范围在0.5MeV～2.9MeV之间。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤；
步骤一、缺陷检测：将待检测机械结构件放置在电子加速器的靶头前照射，照射完毕后，将待检测机械结构件传送到探测器位置，用探测器对待检测机械结构件进行探测；
所述探测用的探测器有两个，两个高能锗探测器按预设角度θ，从不同方向探测机械结构件内层；
步骤二、缺陷定位：两个探测器按预设角度接收待检测机械结构件湮灭放出511keV光子，探测器的输出信号供给后续电路的放大器和多道分析器，将脉冲电压数字化，得到两个能谱，并两个能谱通过三维合成云图，通过云图展示受检机械结构件的缺陷位置；
步骤三、S参数计算：光谱的定性分析图，将所得到的特定光谱积分除以总背景值，即得到可反映材料劣化信息的S参数；
根据能谱的多普勒展宽，用S参数和半宽度(FWHM)衡量，S参数的计算公式为：
S参数为能谱中间偏离511keV较小部分的面积比上整个能谱的面积；半宽度分析是511keV的能谱最大高度的一半处所对应的宽度，利用S参数法对能谱进行分析；该方法分析能谱中不同部分所占的比重，将511keV的能谱分为A、B、C三个部分；
步骤四、缺陷情况分析：A、B、C在能谱区域划分并非是确定的，一般根据实际情况来进行调整；对于有缺陷的待检测机械结构件，由于电子的动量小，造成的多普勒展宽小，因此能谱中A区的比例大，而B与C部分相对小，这样得到的S参数大；反之，待检测机械结构件中的缺陷较少，则A区的比例小，B与C部分的比例大，则S参数小。
2.根据权利要求1所述的一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，其特征在于，所述电子加速器的能量范围为40keV～10MeV。
3.根据权利要求1所述的一种机械结构件微结构损伤失效检测分析方法，其特征在于，所述探测器为高能锗探测器。
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