Дифракционный эффект при рентгеновской дефектоскопии изделий

Широко распространенный в технике метод рентгеновской дефектоскопии предусматривает просвечивание рентгеновским излучением изделия или детали и регистрацию прошедшего через объект излучения на рентгеновской фотопленке [1]. Признаком дефектов является наличие на пленке участков (пятен, линий и т. д.) с повышенной или пониженной оптической плотностью (ОП) по сравнению с ОП изображения «основного», бездефектного материала. Принято считать, что участки повышенной ОП (более темные в негативном изображении) соответствуют порам, раковинам, трещинам и включениям «пониженной плотности».

Рентгеновские дефектоскопы для данного метода неразрушающего контроля.

Практика показывает, что на месте темного пятна, обнаруженного при просвечивании объектов сложной формы, дополнительные исследования разрушающими методами, прежде всего металлографическим, не всегда обнаруживают реальный дефект. Как правило, такие случаи имеют место в отсутствие непосредственного контакта контролируемой поверхности и кассеты с пленкой. Причиной таких «ложных» дефектов могут быть пятна дифракционного происхождения.

 

Рентгеновское излучение в силу своей волновой природы дифрагирует на кристаллической решетке отдельных кристаллов (зерен), поскольку длина волн излучения сравнима с межатомными расстояниями в объекте [2]. Дифракционные отражения, зафиксированные на пленке, имеют размер порядка размеров кристаллитов и в литом материале могут имитировать дефекты на фоне теневого изображения детали. При просвечивании кристаллических материалов (а таковыми в подавляющем большинстве случаев являются объекты контроля в промышленности) дифракция происходит всегда. Как правило, однако, интенсивность дифракционных отражений значительно меньше интенсивности прямого луча, прошедшего сквозь объект. Поэтому реально этот эффект можно наблюдать при достаточно большом расстоянии от объекта до детектора (≈ 10 мм и более): тогда на фоне изображения детали на ее краях могут регистрироваться темные пятна дифракционной природы, никак не связанные с реальными дефектами. Если руководствоваться общепринятыми в радиационной дефектоскопии нормами, годное в действительности изделие по результатам рентгеновского контроля из-за наличия таких пятен может быть признано бракованным, а проверить это до сих пор можно было только разрушающим способом. Такое положение ведет к большим экономическим потерям, поскольку цена узла может достигать сотен тысяч рублей. Схема получения рентгеновского изображения представлена на рис. 1.

 

При напряжении на рентгеновской трубке в пределах U = 40 – 400 кВ, используемом обычно для целей дефектоскопии, тормозное излучение имеет коротковолновый край с длиной волны λо = 1,24/U нм. Длина волны, соответствующая максимальной интенсивности излучения, составляет λmax ≈ (1,3 ÷ 1,5) λо или, в рабочем диапазоне напряжений, λmax0,005 ÷ 0,05 нм, а с учетом дисперсии спектра λ ≈ 0,003 ÷ 0,1 нм. При обычных для большинства материалов периодах кристаллической решетки a = 0,25 ÷ 0,5 нм наиболее интенсивные дифракционные отражения рентгеновских волн происходят от кристаллографических плоскостей с расстояниями между ними d/n ≈ 0,10 ÷ 0,25 нм. Отклонение дифрагированных (отраженных) лучей 2θ от первичного пучка описывается уравнением Вульфа-Брэгга θ = arcsin{λ/2/(d/n)} или, при малых углах, 2θ = λ/2(d/n). При указанных выше значениях λ и d/n эти углы составляютв большинстве случаев от 1 до 20°, причем самые интенсивные отражения имеют место при θ ≈ 1 ÷ 5°. Одновременно должно выполняться и другое, геометрическое условие дифракции: углы первичного и отраженного лучей к отражающей плоскости должны быть равны и лежать в одной плоскости с нормалью к отражающей плоскости.

Примером может служить контроль пайки топливного коллектора (рис. 2), при просвечивании которого иногда наблюдаются темные пятна на изображении кронштейна (кронштейн не является предметом контроля, но неизбежно попадает под рентгеновский пучок и «отпечатывается» на снимке).


Напряжение просвечивания 120 кВ, чему соответствует λmax ≈ 0,012 нм. Расстояния от края кронштейна до пленки Н = 27 мм, от края изображения до темного пятна на снимке h = 1,5 мм, следовательно, угол дифракции θ = h/2H ≈ 0,028 ≈ 1,7°. Отсюда значение межплоскостного расстояния кристаллической решетки d/n = (λ/2)/sinθ = 0,214 нм, что практически совпадает со справочными данными для никелевых сплавов (у чистого никеля наиболее интенсивное отражение соответствует d/n111 = 0,204 нм). 


Дифракционные пятна на рентгеновском снимке формируются отражениями от кристаллографических плоскостей каждого отдельного зерна и имеют размеры порядка размеров зерен, а интенсивность (оптическая плотность) пятен зависит также от размеров зерен и от плотности в них кристаллических дефектов (дислокаций и т. п.). Это и служит причиной ошибок, поскольку макроскопические дефекты (поры и др.) часто имеют те же размеры ≈ 0,1 ÷ 1 мм. Поскольку в облучаемом объеме содержится обычно множество зерен, дифракционные пятна от достаточно крупнозернистого объекта (особенно при контроле литых деталей) образуют хаотическую картину, причем каждому из них соответствуют «свои» длина волны и угол отражения.

Нами предложены два способа, позволяющие исключить такую ошибку. Первый состоит в повторной рентгеновской съемке объекта, в процессе которой детектор, в частности кассета с рентгеновской пленкой, приводится в непосредственный контакт с контролируемым объектом (схема контроля топливного коллектора приводится на рис. 2, а фотографии реальной съемки – на рис. 3). Заключение о наличии или отсутствии дефекта делается на основе сопоставления двух снимков в зависимости от воспроизводимости на них пятен [3]. При повторной съемке положение детали или узла относительно источника излучения неизменно, а кассету помещают в непосредственном контакте с участком, где выявлены пятна с повышенной оптической плотностью. При контактной съемке дифракционные пятна, как правило, не проявляются. Из схемы на рис. 1 видно, что при контактной съемке H = 0 и, следовательно, h = 0, т. е. дифракционные пятна попросту совпадают с контуром детали. Если же пятна воспроизводятся на повторном снимке, это указывает на их связь с реальными дефектами. Недостатком описанного способа является его ограниченная осуществимость: при достаточно сложной форме не всякое изделие, тем более не каждый его элемент, можно привести в соприкосновение с кассетой.

 


Другой способ отличить дифракционные пятна от изображения дефектов состоит в повторной съемке. При этом объект контроля смещают относительно пучка рентгеновского излучения таким образом, чтобы угол падения пучка на объект изменился на величину порядка углов дифракции, т. е. на 0,5 – 5°. Например, смещают контролируемую деталь на 10 – 20 мм относительно ее первоначального положения, а затем сопоставляют два рентгеновских снимка и делают заключение о наличии или отсутствии дефектов на основе совпадения или несовпадения относительного расположения темных пятен [4].


Если изменить направление первичного рентгеновского пучка относительно объекта на небольшой угол, условия дифракции изменятся, при этом полученные ранее дифракционные пятна «погаснут» и возникнут новые под другими углами, в общем случае сформированные компонентами первичного пучка с другими длинами волн и отраженные от других кристаллографических плоскостей. Соответственно, кардинально изменится взаимное расположение пятен, а также их положение относительно геометрических элементов контролируемого изделия. Границы необходимого изменения направления обусловлены, с одной стороны, дифракционной шириной отражения: угол должен быть достаточно большим (≈ 1° и более), чтобы вывести из отражающего положения одни зерна и (или) одни кристаллографические плоскости этих зерен и ввести в отражающее положение другие зерна и плоскости. С другой стороны, угол не должен быть слишком большим, чтобы не вызвать геометрических искажений изделия на снимке. Верхняя граница изменения направления съемки определяется геометрией контролируемого изделия и, как правило, не превышает 5 – 10°. При этом расположение детектора (кассеты с пленкой) относительно объекта остается неизменным в отличие от способа, изложенного выше.

В качестве примера рассмотрим контроль замка блока сопловых лопаток турбины, отлитого из жаропрочного сплава ЧС104. Снимки сделаны дважды со смещением отливки относительно первичного рентгеновского пучка примерно на 30 мм при фокусном расстоянии 1300 мм, что соответствует изменению угла на 30∙57,4/1300 ≈ 1.3°. Схема съемки показана на рис. 4. На изображении отливки (условно показано двумя толстыми линиями) наблюдается множество темных пятен на обоих снимках, однако, расположение пятен на этих снимках не совпадает. Это свидетельствует об отсутствии реальных дефектов. Дифракционные пятна от одного зерна расположены вдоль эллипсов, каждый из которых соответствует определенной зоне кристаллографических плоскостей. В целом дифракция от множества зерен образует хаотическую картину.

Заключение

Дифракция рентгеновского излучения в отсутствие непосредственного контакта пленки с объектом контроля может создавать артефакты, имитирующие дефекты. Описаны два способа, используя которые легко отличить артефакты от реальных дефектов.

Литература

1. Румянцев С. В. Радиационная дефектоскопия. – М.: Атомиздат, 1974. – 510 с.
2. Уманский Я. С. Рентгенография металлов и полупроводников. – М.: Металлургия, 1969. – 496 с.
3. Хаютин С. Г. Способ неразрушающего контроля состояния объекта. Патент РФ № 2 304 766 С1 от 07.04.2006.
4. Хаютин С. Г. Способ радиационной дефектоскопии. Патент РФ № 2 350 931 С1 от 18.07.2007
Статья получена 11 ноября 2010 г.

Список файлов
 Дифракционный эффект при рентгеновской дефектоскопии изделий.pdf2012-07-17 05:32:182.75 MB1275

Просмотров: 2624

Дата: Вторник, 17 Июля 2012

Новости