X射线分析技术在金属材料失效分析中的应用

利用X射线具有较强的穿透能力，并可使照相胶片感光和不同形态物质对X射线吸收不同的原理做X射线检测。X 射线检测是现代工业生产中质量检测、质量控制、质量验证的重要手段，一般用于金属、非金属等材料制成的零部件、铸造及焊接部件的无损检测以确定其内部缺陷，如夹渣、裂纹、气孔、未焊透、未熔合等。在机械装备的失效分析中，特别是确定不良品的缺陷位置或对其定性时，可采用X射线检测进行定位和辅助定性。

1.X射线照相法

GB/T 6417.1-2005《金属熔化焊接头缺欠分类及说明》中规定，在焊接接头中因焊渣产生的金属不连续、不致密或连续不良的现象简称缺欠，超过规定值的缺欠称为舞装缺陷区域和基体之间的密度差异(或成分差异)会导致被检工件与其内部缺陷介质对X射线能量衰减程度产生差异，导致射线透过工件后的强度不同，对胶片的感光不一致,于是在胶片上形成黑度不同的影像，使缺陷能在射线底片上显示出来，这就是X射线检测的基本原理。把胶片放在工件适当位置，在感光胶片上，有缺陷部位和无缺陷部位将接受不同的射线曝光。再经过暗室处理后，得到底片，然后把底片放在观片灯上就可以显地观察到缺陷处和无缺陷处具有不同的黑度，评片的人员据此就可以判断缺陷的情祝。

2.工业CT检测

工业CT检测也称X射线层析成像，属于射线检测具有较高的缺陷辨别能力、高空间和高密度分辨力，能对缺陷精确定位和3D成像，受试样形状制约小等优点。工业CT对缺陷的判断是通过扫描形成的3D图像的灰度值形式来表现的，不同物质的密度差异对X射线吸收能力不同，反映在图像上即为像素灰度值的不同。

3.X射线检测在失效分析中的应用举例

某航天设备上的压气机采用7055高强度喷射铝合金材料制成，其主要加工工艺流程为:喷射沉积制坯→热挤压→热处理→精加工→模拟试验。箱体长的方向为挤压方向，也是喷射成形的圆锭轴向。热处理设备为箱式炉，热处理后进行了超声波检测，未发现缺陷，然后进行精加工，达到图样技术要求后进行模拟试验，运行约400万次后发现局部表面开裂。开裂部位内腔压力为0~30MPa脉冲，频率为6.667Hz。

由于该零件结构比较复杂，若分析前盲目进行切割，则有可能造成开裂面不完整，甚至会导致裂纹源区重要失效信息的丢失，影响整体失效分析。对此，首先采用X射线对其进行无损检测，初步确定了裂纹的大概位置，发现存在两条长分别为46m和103m裂纹。然后采用工业CT 检测对裂纹进行更精确地定位和3D 成像，进一步了解了裂纹在零件中的具体位置和范围。

根据X射线检测、工业 CT检测的断层扫描以及宏观观察情况，再结合该零件的设计图样，判断裂纹位置，然后规划了切制方案，对试样进行解剖，开裂面形貌，开裂面比较完整，未见塑性变形，可见明显的放射纹，根据放射纹的收敛方向判断裂纹源部位。后经进一步的失效分析，结果表明压气机在模拟试验前机身内部二级压力腔18mm通孔的R角处已经存在老裂纹，该裂纹是在热处理过程中形成的，在模拟试验过程中于交变应力的作用下产生了疲劳扩展。

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