Ｘ射线

从发现到现在已有一百多年的历史，Ｘ射线分析技术发展至今已广泛应用于各行各业的方方面面，对人类文明和社会的发展进步产生了非常重要的作用和影响。在机械装备的失效分析中，Ｘ射线分析技术同样发挥着重要的作用。

Ｘ射线探伤

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射线的吸收不同的原理可进行Ｘ射线探伤。Ｘ射线探伤是现代工业生产中质量检测、质量控制、质量保证的重要手段，一般用于金属或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性质时，可采用Ｘ射线探伤进行缺陷定位和辅助定性。

Ｘ射线照相法

GB/T 6417.1-2005中规定，在焊接接头中因焊接产生的金属不连续、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焊接缺陷。缺陷区域与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射线的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，使缺陷在射线底片上显示出来，这就是Ｘ射线探伤的基本原理。

Ｘ射线照相原理示意图

工业CT检测

工业CT检测也称Ｘ射线层析成像，具有较高的缺陷辨别能力、高空间和高密度分辨率、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检测对缺陷的判断是通过扫描形成的3D图像的灰度形式来表现的，不同物质的密度差异对Ｘ射线的吸收能力不同，反映在图像上即为像素灰度的不同。

应用实例

某航天设备上的零件压气机采用7055高强度喷射铝合金材料制造，其主要加工工艺流程如下：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，也是喷射成型的圆锭轴向。热处理设备为箱式炉，热处理后进行了超声波探伤，未发现缺陷，然后进行精加工，达到图纸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。

失效压气机宏观形貌及裂纹位置

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的不完整，甚至会导致开裂源区重要失效信息丢失，影响整体失效分析。为此，首先对其进行Ｘ射线探伤，初步确定了裂纹的大概位置，发现存在两条长度分别为46mm和103mm的裂纹。然后采用工业CT检测对裂纹进行更精确的定位和3D成像，进一步了解裂纹在零件中的具体位置和范围。

工业CT检测位置及结果

根据Ｘ射线探伤、工业CT的断层扫描以及宏观观察结果，再结合该零件的设计图纸，判断裂纹位置如下图(a)中标识位置，然后规划了切割方案，对试样进行解剖，打开的裂纹面见下图(b)，可见开裂面比较完整，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位于下图(b)中椭圆形标识部位。后经进一步的失效分析，结果表明该压气机在模拟试验前机身内部二级压力腔Ф18mm通孔的过渡圆角处就已经存在老裂纹，即下图(a)中箭头标识处，该裂纹是在热处理过程中形成的，然后在模拟试验过程中于交变应力作用下产生了疲劳扩展。

裂纹位置、断口形貌及裂纹源位置

Ｘ射线衍射分析技术

Ｘ射线衍射分析技术是确定物质的晶体结构、定性和定量物相分析、点阵常数精确测定、应力测定、残余奥氏体含量测定、晶体取向测定等最有效、最准确的方法。Ｘ射线衍射分析技术的特点是：能够反映大量原子的散射行为的统计结果，此结果和材料的宏观性能有良好的对应关系。

物相分析技术

Ｘ射线衍射是通过对材料进行Ｘ射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。Ｘ射线衍射是试样宏观体积（一般为100mm2×10μm）内大量原子行为的统计结果，它与材料的物理、化学及力学性能有直接、密切的关系。

Ｘ射线衍射能确定试样中不同的组成相，包括区分相同物质的同素异构体，也能计算各相的相对含量，这就是物相的定性和定量分析。下图示意了两种TiO2晶体的结晶形态、结构模型以及Ｘ射线衍射谱。

两种TiO2晶体的结晶形态、结构模型及Ｘ射线衍射谱

定性相分析的基本方法是将未知物质的XRD谱中的全部晶面间距d和衍射相对强度Ｉ/ＩI与已知物质XRD谱中的全部d和Ｉ/ＩI 进行对照，依据其相符情况作出判断。

定量相分析的基本依据是试样中某物相的衍射线强度与试样中该物相的含量成比例，找出这种比例关系的方法有许多种，在这种情况下，相对强度可以用任何单位度量。

定性相分析和定量相分析都需要用标准衍射谱进行比对，为了使这一方法切实可行，就必须掌握大量已知的标准衍射花样。对此，世界范围内的各国科学家联合在一起，已经建立了多种物质的大量衍射数据卡组。目前，应用较广的有衍射资料国际中心（ICDD）发行的PDF-2和PDF-4两种型号的数据库，以及2003年新出现的晶体学公开数据库（COD），它们包含了大量的化合物晶体数据，在具体分析时，对数据卡组的检索和进行多相物质的相分析都已由计算机来完成，无论是效率还是分析的准确性方面都得到了极大的提高。

应用实例

某核电疏水阀管道出现多处开裂泄漏事故，泄漏位置多出现在弯管或焊接部位。在对泄漏部位管子内表面进行宏观观察时发现，管子内壁表面有一层异物覆盖，为了查明该异物的成分组成，采用D8 AdvanceＸ射线衍射仪对靠近焊缝内表面附近的表面覆盖物进行Ｘ射线衍射分析，结果见下图，可见其主要成分为Fe3O4，含量约为69%（质量分数），其余为基体铁。

焊缝附近异物XRD分析结果

该XRD分析结果的意义在于表明管道内壁的腐蚀只与氧有关，可以排除其他腐蚀性介质的影响，从而缩小了分析范围。这与最后得到的“空泡腐蚀引发了腐蚀疲劳”的失效分析结论相一致。

残余应力分析技术

金属材料中残余应力的大小和分布对机械构件的静态强度、疲劳强度、耐腐蚀性和构件的尺寸稳定性等都有直接影响，同时对检查焊接、热处理及表面强化处理（喷丸、渗氮、渗碳等）等的工艺效果、控制磨削等机械加工表面质量都有很重要的实际意义。

通常，残余应力被分为宏观残余应力和微观残余应力两类。宏观残余应力是指当产生应力的各种因素不复存在时，由于形变、相变、温度或体积变化不均匀保留在构件内部而自身保持平衡的应力，本文中提到的残余应力均指宏观残余应力。

对理想的多晶体（晶粒细小均匀、无择优取向），在无宏观应力的情况下，不同方位晶粒中的同族晶面的间距是相等的；而当平衡着一宏观应力σ时，不同晶粒的同族晶面间距d随晶面方向及应力的大小发生有规律的变化，如下图所示，其中ψ为同族晶面法线和测试面法线之间的夹角。平行于主应力方向的晶面间距d最小，垂直于主应力方向的晶面间距d最大。当ψ从0°→90°增大时，d也增大，只要设法测出不同方位（下图中所示的ψ）上的同族晶面的间距d，利用弹性力学中的一些基本关系，就可以求得多晶体中所平衡着的应力σ。

宏观应力与不同方位同族晶面间距离的关系示意图

测定残余应力的方法有很多，有电测法、机械引申仪法、磁性法、超声波法和Ｘ射线衍射法等。鉴于Ｘ射线衍射法具有无损、快速、精确等许多优点，其应用最为广泛。

目前，采用Ｘ射线衍射法测定宏观残余应力的方法和设备不断有新品推出，应用越来越广泛，在产品质量控制和机械装备的失效分析中所起的作用也越来越大。下图为采用Ｘ射线衍射仪现场测试某船用大齿轮表面残余应力的图片。

现场残余应力测试图片

Ｘ射线光电子能谱仪

分析技术

从Ｘ射线和物质的交互作用可知，当Ｘ射线穿过厚度为t的物质后，会激发出光电子。XPS就是利用从物质的原子中激发出的光电子的特性来对被检测物质的物性进行分析。

20世纪50年代，SIEGBAHN K研制成功了第一台XPS，10年后发展成为商用分析仪器。目前的XPS，采用微聚焦Ｘ射线、Ｘ射线单色化及计算机控制等技术，成像的空间分辨率可以达到1μm，能量分辨率优于0.45eV。XPS分析使用的光源阳极是镁或铝，其发射出的Ｋ系Ｘ射线的能量分别是1487eV和1254eV。XPS可根据某元素光电子动能的位移来了解该元素所处的化学状态，有很强的化学状态分析功能。

在机械装备的失效分析中，XPS常用来分析元素的价态，从而判断该元素与其他元素的化合物组合形式。例如在腐蚀失效分析中，通过能谱（EDS）分析发现腐蚀产物中硫元素含量较高，但不知道是硫酸盐类还是亚硫酸盐类，亦或者是硫化氢类腐蚀，这时就可以通过XPS分析得出硫的价态，若为-2价，则可判断腐蚀介质主要为硫化氢类，若为+6价，则为硫酸盐类，若为+4价，则为亚硫酸盐类，从而可以有针对性地查找出腐蚀介质的来源，有的放矢地制定预防措施。

作者：

王荣，上海材料研究所 教授级高工，主要从事机械装备的失效分析与安全评估工作与研究。

来源：《理化检验-物理分册》2017年8期