Ｘ射線

利用Ｘ射線具有較強的穿透能力，并可使照相膠片感光和不同形態物質對Ｘ射線的吸收不同的原理可進行Ｘ射線探傷。Ｘ射線探傷是現代工業生產中質量檢測、質量控制、質量保證的重要手段，一般用于金屬或非金屬等材料制成的零部件、鑄造及焊接部件的無損檢測，以確定其內部缺陷，如夾渣、裂紋、氣孔、未焊透、未熔合等。在機械裝備的失效分析中，特別是確定不良品的缺陷性質時，可采用Ｘ射線探傷進行缺陷定位和輔助定性。

Ｘ射線照相法

GB/T 6417.1-2005中規定，在焊接接頭中因焊接產生的金屬不連續、不致密或連續不良的現象簡稱“缺欠”，超過規定值的缺欠稱為焊接缺陷。缺陷區域與基體之間的密度差異（或成分差異）會導致被檢工件與其內部缺陷介質對Ｘ射線的能量衰減程度產生差異，導致射線透過工件后的強度不同，對膠片的感光不一致，于是在膠片上形成黑度不同的影像，使缺陷在射線底片上顯示出來，這就是Ｘ射線探傷的基本原理。

Ｘ射線照相原理示意圖

工業CT檢測

工業CT檢測也稱Ｘ射線層析成像，具有較高的缺陷辨別能力、高空間和高密度分辨率、能對缺陷精確定位和3D成像、受試樣形狀制約小等優點。工業CT檢測對缺陷的判斷是通過掃描形成的3D圖像的灰度形式來表現的，不同物質的密度差異對Ｘ射線的吸收能力不同，反映在圖像上即為像素灰度的不同。

某航天設備上的零件壓氣機采用7055高強度噴射鋁合金材料制造，其主要加工工藝流程如下：噴射沉積制坯→熱擠壓→熱處理→精加工→模擬試驗。箱體長的方向為擠壓方向，也是噴射成型的圓錠軸向。熱處理設備為箱式爐，熱處理后進行了超聲波探傷，未發現缺陷，然后進行精加工，達到圖紙技術要求后進行模擬試驗，運行約400萬次后發現局部表面開裂。開裂部位內腔壓力為0～30MPa，脈沖頻率為6.667Hz。

失效壓氣機宏觀形貌及裂紋位置

由于該零件結構比較復雜，若分析前盲目進行切割，則有可能造成開裂面的不完整，甚至會導致開裂源區重要失效信息丟失，影響整體失效分析。為此，首先對其進行Ｘ射線探傷，初步確定了裂紋的大概位置，發現存在兩條長度分別為46mm和103mm的裂紋。然后采用工業CT檢測對裂紋進行更精確的定位和3D成像，進一步了解裂紋在零件中的具體位置和范圍。

工業CT檢測位置及結果

根據Ｘ射線探傷、工業CT的斷層掃描以及宏觀觀察結果，再結合該零件的設計圖紙，判斷裂紋位置如下圖(a)中標識位置，然后規劃了切割方案，對試樣進行解剖，打開的裂紋面見下圖(b)，可見開裂面比較完整，未見塑性變形，可見明顯的放射紋，根據放射紋的收斂方向判斷裂紋源位于下圖(b)中橢圓形標識部位。后經進一步的失效分析，結果表明該壓氣機在模擬試驗前機身內部二級壓力腔Ф18mm通孔的過渡圓角處就已經存在老裂紋，即下圖(a)中箭頭標識處，該裂紋是在熱處理過程中形成的，然后在模擬試驗過程中于交變應力作用下產生了疲勞擴展。

裂紋位置、斷口形貌及裂紋源位置

Ｘ射線衍射分析技術是確定物質的晶體結構、定性和定量物相分析、點陣常數精確測定、應力測定、殘余奧氏體含量測定、晶體取向測定等最有效、最準確的方法。Ｘ射線衍射分析技術的特點是：能夠反映大量原子的散射行為的統計結果，此結果和材料的宏觀性能有良好的對應關系。

物相分析技術

Ｘ射線衍射是通過對材料進行Ｘ射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息的研究手段。Ｘ射線衍射是試樣宏觀體積（一般為100mm2×10μm）內大量原子行為的統計結果，它與材料的物理、化學及力學性能有直接、密切的關系。

Ｘ射線衍射能確定試樣中不同的組成相，包括區分相同物質的同素異構體，也能計算各相的相對含量，這就是物相的定性和定量分析。下圖示意了兩種TiO2晶體的結晶形態、結構模型以及Ｘ射線衍射譜。

兩種TiO2晶體的結晶形態、結構模型及Ｘ射線衍射譜

定性相分析的基本方法是將未知物質的XRD譜中的全部晶面間距d和衍射相對強度Ｉ/ＩI與已知物質XRD譜中的全部d和Ｉ/ＩI 進行對照，依據其相符情況作出判斷。

定量相分析的基本依據是試樣中某物相的衍射線強度與試樣中該物相的含量成比例，找出這種比例關系的方法有許多種，在這種情況下，相對強度可以用任何單位度量。

定性相分析和定量相分析都需要用標準衍射譜進行比對，為了使這一方法切實可行，就必須掌握大量已知的標準衍射花樣。對此，世界范圍內的各國科學家聯合在一起，已經建立了多種物質的大量衍射數據卡組。目前，應用較廣的有衍射資料國際中心（ICDD）發行的PDF-2和PDF-4兩種型號的數據庫，以及2003年新出現的晶體學公開數據庫（COD），它們包含了大量的化合物晶體數據，在具體分析時，對數據卡組的檢索和進行多相物質的相分析都已由計算機來完成，無論是效率還是分析的準確性方面都得到了極大的提高。

某核電疏水閥管道出現多處開裂泄漏事故，泄漏位置多出現在彎管或焊接部位。在對泄漏部位管子內表面進行宏觀觀察時發現，管子內壁表面有一層異物覆蓋，為了查明該異物的成分組成，采用D8 AdvanceＸ射線衍射儀對靠近焊縫內表面附近的表面覆蓋物進行Ｘ射線衍射分析，結果見下圖，可見其主要成分為Fe3O4，含量約為69%（質量分數），其余為基體鐵。

焊縫附近異物XRD分析結果

該XRD分析結果的意義在于表明管道內壁的腐蝕只與氧有關，可以排除其他腐蝕性介質的影響，從而縮小了分析范圍。這與最后得到的“空泡腐蝕引發了腐蝕疲勞”的失效分析結論相一致。

殘余應力分析技術

金屬材料中殘余應力的大小和分布對機械構件的靜態強度、疲勞強度、耐腐蝕性和構件的尺寸穩定性等都有直接影響，同時對檢查焊接、熱處理及表面強化處理（噴丸、滲氮、滲碳等）等的工藝效果、控制磨削等機械加工表面質量都有很重要的實際意義。

通常，殘余應力被分為宏觀殘余應力和微觀殘余應力兩類。宏觀殘余應力是指當產生應力的各種因素不復存在時，由于形變、相變、溫度或體積變化不均勻保留在構件內部而自身保持平衡的應力，本文中提到的殘余應力均指宏觀殘余應力。

對理想的多晶體（晶粒細小均勻、無擇優取向），在無宏觀應力的情況下，不同方位晶粒中的同族晶面的間距是相等的；而當平衡著一宏觀應力σ時，不同晶粒的同族晶面間距d隨晶面方向及應力的大小發生有規律的變化，如下圖所示，其中ψ為同族晶面法線和測試面法線之間的夾角。平行于主應力方向的晶面間距d最小，垂直于主應力方向的晶面間距d最大。當ψ從0°→90°增大時，d也增大，只要設法測出不同方位（下圖中所示的ψ）上的同族晶面的間距d，利用彈性力學中的一些基本關系，就可以求得多晶體中所平衡著的應力σ。

宏觀應力與不同方位同族晶面間距離的關系示意圖

測定殘余應力的方法有很多，有電測法、機械引申儀法、磁性法、超聲波法和Ｘ射線衍射法等。鑒于Ｘ射線衍射法具有無損、快速、精確等許多優點，其應用最為廣泛。

目前，采用Ｘ射線衍射法測定宏觀殘余應力的方法和設備不斷有新品推出，應用越來越廣泛，在產品質量控制和機械裝備的失效分析中所起的作用也越來越大。下圖為采用Ｘ射線衍射儀現場測試某船用大齒輪表面殘余應力的圖片。

現場殘余應力測試圖片

從Ｘ射線和物質的交互作用可知，當Ｘ射線穿過厚度為t的物質后，會激發出光電子。XPS就是利用從物質的原子中激發出的光電子的特性來對被檢測物質的物性進行分析。

20世紀50年代，SIEGBAHN K研制成功了第一臺XPS，10年后發展成為商用分析儀器。目前的XPS，采用微聚焦Ｘ射線、Ｘ射線單色化及計算機控制等技術，成像的空間分辨率可以達到1μm，能量分辨率優于0.45eV。XPS分析使用的光源陽極是鎂或鋁，其發射出的Ｋ系Ｘ射線的能量分別是1487eV和1254eV。XPS可根據某元素光電子動能的位移來了解該元素所處的化學狀態，有很強的化學狀態分析功能。

在機械裝備的失效分析中，XPS常用來分析元素的價態，從而判斷該元素與其他元素的化合物組合形式。例如在腐蝕失效分析中，通過能譜（EDS）分析發現腐蝕產物中硫元素含量較高，但不知道是硫酸鹽類還是亞硫酸鹽類，亦或者是硫化氫類腐蝕，這時就可以通過XPS分析得出硫的價態，若為-2價，則可判斷腐蝕介質主要為硫化氫類，若為+6價，則為硫酸鹽類，若為+4價，則為亞硫酸鹽類，從而可以有針對性地查找出腐蝕介質的來源，有的放矢地制定預防措施。