檢查與試驗伴隨著金屬材料的整個加工過程。每個加工環(huán)節(jié)，每個加工工序，都要進行相應(yīng)的檢查試驗，以驗證材料的性能、質(zhì)量等是否滿足相應(yīng)的要求。因此說檢查與試驗是產(chǎn)品質(zhì)量控制必不可少的手段，它在產(chǎn)品加工過程中占據(jù)著很重要的位置。材料工程師有必要了解各種檢測技術(shù)的特點和用途，作用主要有兩個：其一是根據(jù)不同的應(yīng)用條件，提出相宜的檢查試驗要求，以驗證產(chǎn)品的質(zhì)量是否與使用要求相適宜。很多產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)中都列出了供使用者選擇的附加檢驗項目，如果材料工程師對檢測技術(shù)不了解，就無從選擇相應(yīng)的附加檢驗項目，或者選擇的附加檢驗項目或高或低，要求偏高時會造成不必要的經(jīng)濟損失，要求偏低時會對使用的可靠性產(chǎn)生影響；其二是在對制造商的質(zhì)量控制考核中，通過了解它擁有的檢測設(shè)備情況，以及產(chǎn)品型式試驗中的檢查試驗項目和控制指標(biāo)，可以判斷該制造商的質(zhì)量控制手段是否齊全，產(chǎn)品質(zhì)量的定位是否與希望的相適應(yīng)。從這樣的一個目的出發(fā)，本書給出了常用檢測技術(shù)的基本知識。
材料的檢測技術(shù)種類甚多，內(nèi)容也十分龐大，有些是工程中或產(chǎn)品制造過程中經(jīng)常用到的，而有些則是在試驗研究中用到的。本書僅介紹與工程設(shè)計有關(guān)的常用檢測技術(shù)。總起來說，這些檢測技術(shù)包括：化學(xué)成分分析、機械性能試驗、耐腐蝕性能試驗、宏觀組織檢驗、顯微組織檢驗及無損探傷等六大類。
為了便于材料工程師設(shè)計過程中的查閱，本章在附錄F9-1中列出了常用的制造檢測標(biāo)準(zhǔn)。
一、化學(xué)成分分析
從前面講到的金屬材料基本知識中已經(jīng)知道，材料的化學(xué)成分是影響其性能的最基本因素，因此對材料化學(xué)成分的及時測定分析就顯得尤為重要了。化學(xué)成分分析一般發(fā)生在原材料進廠的抽檢、鑄造過程中的爐前分析、施工前的抽檢及事故的分析判斷中。常用的分析方法有化學(xué)分析法及光譜分析法兩種。
（一）化學(xué)分析法
化學(xué)分析法主要是通過在材料中取樣，然后選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)品與金屬材料樣品進行化學(xué)反應(yīng)，最后分析反應(yīng)產(chǎn)物并通過一定的計算，求出相應(yīng)元素的含量。因為各種材料涉及到的元素種類較多，在此不便對它們的具體分析方法逐一介紹。GB223.1~GB223.50系列標(biāo)準(zhǔn)給出了各種元素的分析方法，而GB222標(biāo)準(zhǔn)則給出了化學(xué)成分分析的取樣方法及允許的成分偏差要求，欲作詳細了解的技術(shù)人員可查閱這些標(biāo)準(zhǔn)。
化學(xué)分析法是比較原始、比較通用的方法，也是比較可靠的方法。與光譜分析相比，化學(xué)分析法所需要的設(shè)施投資較少，故一般的企業(yè)都可以做到。但該方法分析時間較長，而且只能在專門的試驗室中進行。
（二）光譜分析法
金屬原子在高能量光源（如X射線、激光等）的照射下，可發(fā)生電離，即最外層的價電子可能因獲得外來的能量而脫離原子成為自由電子。此時的原子處于激發(fā)狀態(tài)，是很不穩(wěn)定的，大約在經(jīng)歷10-8秒后將恢復(fù)到常態(tài)，此時的價電子也將回到原來的運動軌道，同時原子以光的型式釋放出多余的能量。因為價電子的跳躍軌道是多層的，每跳躍一層將產(chǎn)生不同波長的光，而這些不同波長的光即組成了原子光譜。
不同元素的原子被激發(fā)后，得到的光譜特征是不一樣的，光譜分析法就是根據(jù)這些不同特征的光譜來判斷金屬某種元素是否存在的，同時根據(jù)譜線的強弱可判斷元素的含量。
要使光譜分析法能定性地分析各元素是否存在，就必須先建立各元素的標(biāo)準(zhǔn)光譜板，以便于對比判斷。事實上，光譜分析儀可將它自動做對比處理，使分析人員能直接從分析儀中得出直觀的結(jié)論。這種分析法與化學(xué)分析法相比，分析工作量小，快捷簡便，但一般情況下不能定量分析，故它多用于判斷合金鋼中的合金元素是否存在。
要使光譜分析法能定量地分析各元素的含量，就必須做大量的基礎(chǔ)工作，不但要建立各元素的特征光譜標(biāo)準(zhǔn)板，還要建立譜線強度與元素含量的關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)譜板。由于影響譜線強度與元素含量關(guān)系的因素較多，故要準(zhǔn)確建立二者的關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)譜板是很復(fù)雜的事情，所以目前國內(nèi)擁有真正能用光譜分析法來分析元素含量的制造商還不多，而國外的制造商應(yīng)用的很普遍，他們已將這類分析儀計算機化，所有的對比、分析、判斷、計算都由計算機中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成，最后給出直觀的結(jié)果。但目前這種分析儀價格昂貴，是國內(nèi)很多企業(yè)所不能承受的。
二、機械性能試驗
由前面的介紹中已經(jīng)知道，除了材料的化學(xué)成分直接影響到其機械性能外，冷加工過程、熱加工過程、熱處理過程等都可能改變材料的機械性能。因此材料的機械性能試驗可能用在原材料、半成品、成品等各個生產(chǎn)工序中。常進行的機械性能試驗包括拉伸試驗、沖擊試驗和硬度試驗等，而材料的蠕變強度、高溫持久強度、疲勞強度及斷裂韌性試驗一般在管道元件制造過程中不進行，故在此不予介紹。
（一）拉伸試驗
拉伸試驗?zāi)軠y定的材料機械性能指標(biāo)有：強度極限sb、屈服極限ss或s0.2、延伸率δ5或δ10、截面收縮率ψ等。試驗方法及要求在GB228標(biāo)準(zhǔn)中給出了詳細規(guī)定。
試驗用的試樣一般為一個兩端帶夾持柄的園柱。根據(jù)直徑與長度的比值不同則有長試樣和短試樣之分，長試樣的標(biāo)距長度（用于測量尺寸的標(biāo)定長度）為直徑的10倍，短試驗的標(biāo)距長度為直徑的5倍。
試驗一般在專用的拉力試驗機上進行，試驗機上有自動記錄設(shè)施。開動試驗機給試樣施加載荷，直至試樣斷裂。此時自動記錄設(shè)施繪出應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。典型的應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖見圖9－3所示。分析應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖即可求得材料的強度極
限sb、屈服極限ss或s0.2。
通過對試樣尺寸的測量和簡單計算可求出
延伸率δ和截面收縮率ψ。見下式:
式中：δ……延伸率。試樣為長試樣時標(biāo)記為
δ10，短試樣時標(biāo)記為δ5；
ψ……截面收縮率；
lo……試樣拉伸前的標(biāo)距，mm；
l1……試樣拉斷后的標(biāo)距，mm；
Fo……試樣拉伸前的橫截面積，mm2； 圖9－3 應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖
F1……試驗拉斷后的最小橫截面積，mm2。
另外，通過對斷口形狀的分析，可以判斷材料的塑性和韌性。如果斷口的斷面比較整齊，且有金屬光澤，無縮頸現(xiàn)象，表明該斷口為脆性斷口，這種材料的塑性差。如果斷口的斷面呈纖維狀，無金屬光澤，且有縮頸現(xiàn)象，表明該斷口為韌性斷口，那么這種材料的塑性就比較好。
（二）沖擊試驗
沖擊試驗是這樣一個試驗：把要進行試驗的材料制成具有規(guī)定尺寸和形狀的試樣，然后在專用沖擊試驗機上將它一次沖斷，記錄試樣沖斷時所消耗的功，并以此來判斷材料韌性。沖擊試驗測到的性能指標(biāo)有沖擊功Ak和沖擊韌性αk。
GB/T229標(biāo)準(zhǔn)對沖擊試驗的方法進行了規(guī)定。一般情況下，試驗用的試樣為一個10mmx10mmx55mm的長方形金屬塊，金屬塊中間刻有一個“V”形或“U”形缺口。因此沖擊試驗也就有V形缺口和U形缺口試驗之分。工程上常用的為夏比V形缺口沖擊試驗。
試驗一般在專用的試驗機上進行。將試樣置于支座上，缺口背向擺錘落下方向。釋放擺錘，靠重力作用擺錘快速落下并將位于下部的試樣沖斷。在慣性的作用下，擺錘在試件的另一側(cè)向上擺一定的高度。通過擺錘沖斷試樣前后的高度差可計算出沖斷試樣所需要的能量，即為所求的沖擊功Ak。沖擊功除以試樣缺口底部的橫截面積所得的商就是沖擊韌性αk。一般的試驗機都可自動記錄并直接顯示出沖擊功Ak的值。
由上面的介紹可以看出，沖擊試驗是在特定的試驗條件下所做的試驗，試樣的缺口并不代表材料中各種缺陷對材料沖擊韌性的影響，因此它不能象sb和ss那樣可以直接用作強度計算的指標(biāo)，而只是定性地反映材料的脆性程度。事實上，沖擊試驗所得到的沖擊功也并不能完全反映不同材料的脆性，因為沖擊功的大小取決于材料強度和塑性兩方面的影響。材料的強度越高其沖擊功值越大，材料塑性越好其沖出功值也越大。表9-2給出了低溫情況下常用材料的最低沖擊功要求。即使如此，由于沖擊
表9-2 低溫復(fù)比V形缺口最低沖擊功
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鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度（sb）的下限值，MPa
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三個試樣沖擊功（Ak）的平均值，J
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10 mm x 10 mm x 55 mm
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≤450
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18
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> 450~515
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20
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>515~650
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27
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奧氏體不銹鋼焊縫金屬
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31
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注：¶當(dāng)沖擊功的平均值不低于上述值時，若其中一個試樣低于上述值，但不低于70%時是可以認可的；
·該表摘自GB150《鋼制壓力容器》附錄C。
試驗簡單方便，且已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)和評價這些數(shù)據(jù)的經(jīng)驗，故它仍是目前常用的評判材料韌性的試驗方法。
影響材料沖擊韌性的因素很多，材料本身的各種缺陷（如裂紋、白點、夾雜、偏析、氣孔、疏松、過燒等）和工作溫度導(dǎo)致的各種脆性（如冷脆、熱脆、藍脆、紅脆等）都會導(dǎo)致材料沖韌性的下降。因此，通過沖擊試驗可以評判這些缺陷對材料性能的影響。
（三）硬度檢驗
硬度試驗指標(biāo)與沖擊韌性指標(biāo)一樣，并不能直接用于材料的強度計算，而是用來反映材料在加工過程中的組織變化、熱處理效果、加工或焊接殘余應(yīng)力的存在程度等特性的定性判斷指標(biāo)。一般來說，金相組織中的馬氏體硬度高于珠光體，珠光體的硬度高于鐵素體，鐵素體的硬度高于奧氏體。材料進行不同的熱處理，得到的組織也不一樣，故熱處理對材料硬度的影響實際上是反映材料的金相組織和金相結(jié)構(gòu)對硬度的影響。對于奧氏體不銹中的奧氏體，因為它有大量的合金元素存在，故其硬度要高于鐵素體；化學(xué)成分中，碳對材料硬度的影響最直接。材料中的碳含量越大，其硬度越高。除碳含量以外，大多數(shù)合金元素都會使材料的硬度升高；加工殘余應(yīng)力與焊接殘應(yīng)力的存在對材料的硬度也將產(chǎn)生影響，加工殘余應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力值越大，硬度越高。
實驗表明，材料的硬度與其強度存在著一定的比例關(guān)系。對黑色金屬材料來說，其抗拉強度近似等于三分之一的布氏硬度值。
正因為影響材料硬度的因素較多，故工程上在很多場合下常通過檢驗硬度來定性了解材料的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、熱處理效果及加工或焊接殘余應(yīng)力存在的程度等。又因為它操作簡便，成本較低，又屬于非破壞性試驗（即可直接在成品上進行試驗），因此在材料加工過程和現(xiàn)場施工檢驗中得到了廣泛的應(yīng)用。
目前，已出現(xiàn)的硬度試驗方法有很多，但工程上常用的試驗方法有布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法和維氏硬度試驗法三種。GB230、GB231和GB4340標(biāo)準(zhǔn)分別給出了洛氏硬度、布氏硬度和維氏硬度的試驗方法及要求。
1、布氏硬度試驗法
該方法因最早由Brinell提出而得名。它主要是利用鋼球壓頭，通過定量加載使其壓入試樣表面，然后計算壓痕表面積，并通計算單位壓痕表面積上所受載荷大小來確定其硬度值。其硬度值用“HB”后面加硬度數(shù)值來表示。
不同的壓頭材料和直徑，不同的加載力，不同的加載時間，測得的硬度值是不同的。為了便于比較，對黑色材料（主要指碳鋼和合金鋼）來說，一般規(guī)定采用直徑為10mm的鋼球作為壓頭，加載力取30000N，加載時間取10秒作為試驗條件。
布氏硬度試驗一般是在硬度試驗機上進行的。測得壓痕直徑后查相應(yīng)的數(shù)據(jù)表即可得到布氏硬度值。工程上有時也用錘擊式簡易布氏硬度計來測量硬度值，這種方法得到的數(shù)據(jù)有一定的誤差。
布氏硬度試驗法的優(yōu)點是：測出的硬度值準(zhǔn)確可靠，且因為壓痕面積大，能消除因組織不均勻而帶來的測量誤差。但它不能用于較硬（HB>450）材料的硬度測量，因為此時會因鋼球壓頭的自身變形而造成較大的測量誤差。由于壓痕大，它也不宜用來測量成品和較薄件，以免損壞產(chǎn)品。該法不能從測試儀器上直接讀出硬度值，尚須在試驗完成后查表才能得到，故檢驗速度較慢。
布氏硬度試驗法是目前應(yīng)用最多的一種方法。
2、洛氏硬度試驗法
該方法因最早由Rockwell提出而得名。它主要是利用較硬的錐形材料或小直徑的淬火鋼球作為壓頭，通過定量加載使其壓入試樣表面，然后計量壓痕深度，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理來確定其硬度值的大小。根據(jù)采用的壓頭材料和加載力的大小不同，其硬度值的表示方法分為三種：HRA**、HRB**和HRC**，“**”為對應(yīng)的硬度數(shù)值。
常用的洛氏硬度試驗條件和應(yīng)用范圍見表9-3所示。
表9-3 常用洛氏硬度試驗條件和應(yīng)用范圍
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標(biāo)R
符號
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壓頭材料
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予載荷
（N）
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總載荷
（N）
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加載時間（S）
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測量范圍
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應(yīng)用范圍
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HRA
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頂角為120°的金剛園錐
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100
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600
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10
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>70
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硬質(zhì)合金，表面淬火鋼
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HRB
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1/16”鋼球
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100
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1000
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10
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25~100
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退火鋼，銅合金，鋁合金
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HRC
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頂角為120°的金剛園錐
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100
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1500
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10
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20~67
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淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、可鍛鑄鐵、鈦合金
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洛氏硬度試驗一般是在試驗機上進行，并從試驗機的表盤上能直接讀取硬度值的大小。
洛氏硬度試驗法與布氏硬度試驗法相比，有以下優(yōu)缺點：它的硬度值可以從試驗機表盤上直接讀出，故試驗方便快捷。其壓頭有軟、硬多種材料，故測量范圍寬。由于壓頭尺寸小，產(chǎn)生的壓痕也較小，一般情況下對工件不造成損傷，可直接用于成品件的檢測。缺點是不同壓頭材料測得的硬度無法比較，而且當(dāng)材料的組織不均勻時，由于它的壓痕小會導(dǎo)致測得的數(shù)值起伏變化大，缺乏代表性。
洛氏硬度試驗法也是工程上常用的一種方法。
3、維氏硬度試驗法
該方法因最早由Vickers提出而得名。它是利用角度為136°的金剛石四方錐體作為壓頭，通過加載使其壓入試樣表面，然后計量壓痕對角線長度，并通過計算單位壓痕面積上所受載荷大小來確定其硬度值。其硬度值用“HV”后面跟硬度數(shù)值來表示。
由于維氏硬度試驗中采用了固定角度的壓頭，其壓力角是恒定的。當(dāng)施加載荷變化時，其壓痕的幾何形狀相似且符合比例關(guān)系，故無論采用什么載荷值，其測得的硬度相同，但相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中還是給出了系列荷載以簡化換算關(guān)系。試驗時間對黑色金屬來說一般為10秒~15秒，對有色金屬一般為25秒左右。
不難看出，維氏硬度試驗法吸取了布氏硬度和洛氏硬度試驗法的優(yōu)點，即它采用了較硬的壓頭，既可測量較硬材料的硬度，又可測量較軟材料的硬度。對于不同硬度的材料，它克服了洛氏硬度試驗中須更換壓頭材料從而造成測到的結(jié)果無法比較的缺點。但是維氏硬度試驗法也不能直接從試驗機上讀出硬度值，需要查表計算，故測量效率較低。
由于維氏硬度試驗法所具有的優(yōu)點，它常用在相應(yīng)的研究試驗室中。
為了便于設(shè)計人員查對，本章附錄F9-2中給出了部分布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度的對照表。
三、耐腐蝕性試驗
石油化工生產(chǎn)過程中涉及到的腐蝕介質(zhì)是很多的。我們已經(jīng)知道，不同的材料對相同的介質(zhì)，或者不同的介質(zhì)對同一種材料，其腐蝕機理和腐蝕形態(tài)是不相同的。即使同一種材料在同一介質(zhì)中，因介質(zhì)的溫度、壓力、濃度、流態(tài)等不同，其腐蝕機理和腐蝕形態(tài)也是不同的。這些因素耦合的結(jié)果導(dǎo)致了許多浩繁的材料－腐蝕環(huán)境，而這樣的每個耦合環(huán)境都需要通過試驗來判定材料的耐蝕問題，因此可以說，這一類的試驗方法是十分浩繁的。但是，工程上要做的腐蝕試驗并不多，而大多數(shù)的腐蝕試驗是在試驗研究中進行的，或者是在實際生產(chǎn)中實測并進行數(shù)據(jù)分析和經(jīng)驗積累的。工程設(shè)計中往往是借助于這些試驗研究數(shù)據(jù)或?qū)崪y數(shù)據(jù)進行材料選擇的，只有當(dāng)由于制造或施工過程中可能會引起材料耐蝕性的變化時，設(shè)計人員才可能提出做一些腐蝕試驗。這類腐蝕試驗主要包括晶間腐蝕試驗和應(yīng)力腐蝕試驗兩種。
（一）晶間腐蝕試驗
可發(fā)生晶間腐蝕的材料－環(huán)境組合在石油化工生產(chǎn)中有很多，除不銹鋼外，鋁及其合金、鎳合金、鎂合金等材料在特定的腐蝕環(huán)境下都可以發(fā)生晶間腐蝕，但是工程上遇到最多的是奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題，故在此僅介紹奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕試驗。
GB4334.1~GB4334.9標(biāo)準(zhǔn)中給出了九種不同的不銹鋼晶間腐蝕試驗方法。常用的有GB4334.1《10%草酸浸蝕試驗方法》（俗稱C法）、GB4334.2《硫酸－硫酸鐵腐蝕試驗方法》、GB4334.3《65%硝酸腐蝕試驗方法》（俗稱X法）、GB4334.4《硝酸－氫氟酸腐蝕試驗方法》和GB4334.5《硫酸－硫酸銅腐蝕試驗方法》（俗稱L法）等五種。
具體選用何種方法一般根據(jù)需要和經(jīng)驗確定。美國常用X法，此法能顯著地呈現(xiàn)高腐蝕速率，但其試驗周期較長，一般為3個周期（每個周期為48小時）。我國則常在合成尿素或60℃到沸點的稀硝酸介質(zhì)中才用此法。一般情況下，國內(nèi)常用L法，而C法則供其它方法篩選之用。
L法的評定方法：將腐蝕后的試樣彎曲90°，用10倍的放大鏡檢查試樣表面，若出現(xiàn)晶間腐蝕裂紋時，則再加倍取樣重試，如果其中仍有一個出現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，則認為該材料具有晶間腐蝕傾向。
X法的評定方法：三個周期中，最大的腐蝕速率小于等于0.6mm/a時為一級，大于0.6而小于等于1mm/a時為二級，大于1mm/a而小于等于2mm/a時為三級，大于2mm/a時為四級。
C法的評定方法：在150~500倍的金相顯微鏡下觀查試樣的浸蝕部位，晶界沒有腐蝕溝槽，晶粒呈臺階狀為一級。晶界有蝕溝，但沒有一個晶界被蝕溝包圍為二級。晶界有蝕溝，個別晶粒被蝕溝包圍為三級。晶界有蝕溝，大部分晶粒被蝕溝包圍為四級。級別為二、三、四級者要判斷是否需要采取其它方法進一步檢驗。
（二）應(yīng)力腐蝕試驗方法
應(yīng)力腐蝕試驗方法在工程上用的并不多，只有在很特殊的場合才要求做，我國尚無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行。
應(yīng)力腐蝕試驗的方法有很多，各國也不統(tǒng)一，但主要可歸為以下四種：
1、恒變形法
它是用玻璃棒夾持著試樣，使其產(chǎn)生一定的彎曲變形，然后置于實際的腐蝕環(huán)境或模擬的腐蝕環(huán)境中，記錄試樣的斷裂時間或一定時間后的裂紋深度，通過靜力學(xué)公式推導(dǎo)出其最大應(yīng)力，并根據(jù)最大應(yīng)力與裂紋的深度或斷裂的時間進行關(guān)聯(lián)分析，由此判其耐應(yīng)力腐蝕的性能。該方法定量化比較困難，且試驗數(shù)據(jù)不宜作為設(shè)計數(shù)據(jù)。該方法已被列入ASTM標(biāo)準(zhǔn)。
2、恒載荷法
它是對試件加一個已知的恒定外力，記錄它在腐蝕介質(zhì)中的斷裂時間，根據(jù)靜力學(xué)公式算出試件中的應(yīng)力值，從而建立起應(yīng)力－應(yīng)力腐蝕斷裂－時間的關(guān)系。該方法測量時間較長，設(shè)備價格較貴，但試驗數(shù)據(jù)可直接用于設(shè)計。該方法已為ASTM、DIN、JIS等標(biāo)準(zhǔn)所采用。
3、恒應(yīng)變速率法
該方法是在專用的試驗機上進行的。給試件加載并使其應(yīng)變速率以10-5/S~10-7/S的速度遞增。觀查它在腐蝕介質(zhì)中的斷裂時間，同時可得到相應(yīng)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。記錄斷裂的時間和斷裂時的最大應(yīng)力及最大應(yīng)變量，并使其最大應(yīng)力和最大應(yīng)變量與無腐蝕情況下的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變量相比，以此來判斷它對應(yīng)力腐蝕的敏感性。該方法能在短期內(nèi)作出評定，同時能得到裂紋擴展的情況，對高載荷下的材料比較適合，但實驗設(shè)備貴，且不能同時進行多個試樣的試驗。此法于1997年在加拿大多倫多召開的應(yīng)力腐蝕討論會上被認定。
4、斷裂力學(xué)法
它是通過給試件加一個較大的恒定載荷，并通過特殊的專用設(shè)施測定并記錄試樣在腐蝕介質(zhì)中裂紋的擴展速率及應(yīng)力腐蝕臨界強度因子，利用斷裂力學(xué)理論進行判斷和設(shè)計。該方法能夠得到有關(guān)裂紋擴展的情況，測得的應(yīng)力腐蝕強度因子可直接用于設(shè)計，但測量設(shè)備更麻煩，且不能獲得裂紋初期生成的有關(guān)信息。
四、宏觀組織檢測
用肉眼或10倍以下放大鏡來觀察金屬材料在冶煉及各種加工過程中產(chǎn)生的缺陷、組織和化學(xué)成分的不均勻性的方法叫宏觀組織檢驗。它和后面將講的微觀組織檢驗都是屬于破壞性試驗，因此正常的生產(chǎn)中是不可多用的，而多是用于制造工藝的評定和試驗研究中。宏觀組織檢驗和微觀組織檢驗雖然都是檢驗金屬材料的組織和缺陷的，但前者放大倍數(shù)較低，后者放大倍數(shù)較高，故應(yīng)用的范圍有區(qū)別。宏觀組織檢驗的范圍或者說它的作用有以下幾方面：
a、檢驗鑄錠的結(jié)晶狀態(tài)，包括柱狀晶粒、等軸晶粒、樹枝狀晶粒等晶粒的形狀及大??；
b、檢驗鑄錠及焊縫在凝固時所產(chǎn)生的各種缺陷，例如縮孔、疏松、裂紋等；
c、檢驗壓力加工所形成的流線、發(fā)紋等。
通過對上述缺陷進行顯示、分析和評定，可以直觀地觀察到金屬材料的內(nèi)在質(zhì)量，從而判斷加工工藝的合理性，因此它在加工工藝評定中得到了廣泛的應(yīng)用。對某些方面的缺陷，用無損探傷有時是做不到的。
GB226標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了宏觀組織檢驗的方法。常用的宏觀組織檢驗方法有酸浸檢驗、斷口檢驗、發(fā)紋檢驗和印痕檢驗。
（一）酸浸檢驗
酸浸檢驗是利用了金屬材料中不同的成分和缺陷在酸腐蝕介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后所呈現(xiàn)出的不同腐蝕程度的腐蝕痕跡進行檢驗的。根據(jù)所采用腐蝕介質(zhì)的腐蝕速度程度不同，可分為熱酸腐蝕、冷酸腐蝕和電解酸腐蝕三種方法。
熱酸腐蝕法是利用溫度較高的腐蝕介質(zhì)（約60℃~80℃）對試樣進行腐蝕的。由于溫度的作用，它比冷酸腐蝕速度較快些。對于尺寸較大或者經(jīng)處理硬化后的零件，若采用熱酸腐蝕易產(chǎn)生開裂，此時應(yīng)采用冷酸腐蝕法。熱酸腐蝕常用于微觀組織檢驗。
電解酸腐蝕法的速度更快些，但操作起來較麻煩。
無論是熱酸腐蝕法、冷酸腐蝕法還是電解酸腐蝕法，基本上都可以同樣清晰地顯示出鋼的宏觀組織和缺陷。
鋼的宏觀組織可以根據(jù)GB1979標(biāo)準(zhǔn)進行評級和判定。常見的宏觀組織（也稱低倍組織）和缺陷的特征評定如下：
1、偏析
偏析常出現(xiàn)在鑄件中，它是澆鑄凝固過程中，由于選擇結(jié)晶和擴散作用而引起的某些元素的偏聚。根據(jù)偏析存在的區(qū)域和形態(tài)不同又可分為錠型偏析、中心偏析和點狀偏析三種，酸浸后表現(xiàn)為形狀不規(guī)則的黑色小斑點。
GB1979標(biāo)準(zhǔn)共給出了三套偏析的評級標(biāo)準(zhǔn)圖譜和判定標(biāo)準(zhǔn)。第一套圖譜適合于直徑或邊長為40mm~150mm園鋼和方鋼的低倍組織缺陷分級，第二套圖譜適合于直徑或邊長為150mm~250mm園鋼和方鋼的低倍組織缺陷分級，第三套圖譜適合于直徑或邊長為40mm~250mm園鋼和方鋼的低倍組織缺陷分級。其中，第一、第二套圖譜將有關(guān)缺陷共分成四級，級別號越大，缺陷越大（多）。當(dāng)比照圖譜，實際缺陷處于兩個標(biāo)準(zhǔn)級之間時，可以加半級。第三套圖譜對異金屬夾雜物僅給出了一張圖，對皮下氣泡、非金屬夾雜物、夾渣則僅給出了三個級別。只有當(dāng)供需雙方認可時可采用第三套圖譜。
2、疏松
疏松也常出現(xiàn)在鑄鋼件和鑄錠中，它是澆鑄凝固過程中，由于枝晶間的部分低熔點物質(zhì)最后凝固收縮或放出氣體而產(chǎn)生的孔隙。根據(jù)疏松存在的區(qū)域不同分為中心疏松和一般疏松兩種。除此之外，在澆冒口附近，由于最后冷卻時液體的體積收縮得不到補充將形成密集疏松。密集疏松可以通過改善工藝而避免出現(xiàn)，或者將此部分進行切除。
疏松在酸浸后呈現(xiàn)分散的小空隙和暗黑小園點。
GB1979標(biāo)準(zhǔn)分別給了它的評級和判定標(biāo)準(zhǔn)。
3、夾雜
夾雜也常出現(xiàn)在鑄件和鑄錠中，即在澆注凝固過程中，由于某些合金元素未熔化，或者溶渣未及時浮出而造成它們在酸浸后以不同的幾何形狀存在。GB1979給出了它的評級和判定標(biāo)準(zhǔn)。實際上，金屬中雜質(zhì)元素形成的化合物以及某些沒有及時排出的非金屬化合物等都可形成非金屬夾雜物，這些夾雜物在尺寸上比較小，故常通過微觀組織檢驗對它進行評級及判定。
4、氣泡
氣泡也常出現(xiàn)在鑄件和鑄錠中，即在澆注凝固過程中，由于鋼液中的氣體沒能及時逸出而形成。它在酸浸后呈小孔隙。
GB1979標(biāo)準(zhǔn)給出了它的評級和判定標(biāo)準(zhǔn)。
5、白點、裂紋和發(fā)紋
白點是由原始氫在壓力加工中的組織應(yīng)力作用下而產(chǎn)生的裂紋，酸浸后它在斷面上呈白色的斑點，故白點因此而得名。裂紋常因高合金鋼中的較大熱應(yīng)力引起，酸浸后斷面呈不規(guī)則的線狀，嚴重時呈蜘蛛網(wǎng)狀。發(fā)紋是由于鋼錠中的夾雜或氣孔在變形加工過程中沿變型方向而呈現(xiàn)出的微縫隙，酸浸后呈規(guī)則的線狀。
白點、裂紋和發(fā)紋是壓力管道配件中不允許存在的缺陷。一般情況下，工程上并不采用宏觀組織檢驗法檢驗它們的存在，而是采用無損探傷檢驗法檢驗，因為宏觀組織檢驗法屬于破壞性的和區(qū)域性的檢驗，對成品件不合適。
（二）斷口檢驗
它是一種主要用于分析金屬材料斷裂原因的一種試驗方法。通過斷口形狀分析，可以了解金屬材料斷裂的性質(zhì)，從而了解材料在冶煉、壓力加工、熱處理以及對工作介質(zhì)適應(yīng)性等方面的情況，為設(shè)計和事故分析提供依據(jù)。應(yīng)該說，斷口檢驗在工程中應(yīng)用的并不多，上述缺陷多數(shù)是通過其它途徑來進行檢驗和判定的。在工程上它較多的是用來進行事故判定。
由于影響斷裂的因素很多，故斷口的形狀也是多種多樣的。這里僅介紹幾種典型的斷口分析。
1、韌性斷口
韌性斷口多呈纖維狀，它主要發(fā)生在塑性較好的材料中。這樣的斷口無金屬光澤，無明顯的結(jié)晶顆粒組織，斷裂前發(fā)生過大量的塑性變形。
2、脆性斷口
脆性斷口的形貌較平整，呈放射狀或人字條紋狀，顏色呈銀灰色，斷裂前沒有明顯的塑性變形發(fā)生。通常將塑性變形量不超過2%~5%的斷裂叫脆性斷裂。
3、疲勞斷口
疲勞斷口呈現(xiàn)以下幾個明顯特征：
a、斷口表面因受介質(zhì)的腐蝕而呈黑色或褐黑，疲勞裂紋擴展區(qū)則無明顯顏色；
b、對于由多個裂紋源存在的疲勞斷裂中，裂紋擴展連接時，會因裂紋源不在同一平面中而產(chǎn)生臺階；
c、斷面上出現(xiàn)向內(nèi)或向外凸起的同心園條紋，通常稱之為“年輪”，它是疲勞斷口典型的宏觀特征。載荷波動幅度較大時，此“年輪”很明顯，波動較小時，“年輪”紋較弱。
4、應(yīng)力腐蝕斷裂斷口
它的斷口形貌與脆性斷口相似，所不同的是在斷口邊緣有小蝕坑或蝕點，也就是說，局部腐蝕造成了裂紋源的產(chǎn)生。
5、氫脆斷裂斷口
氫脆斷裂也是一種脆性斷裂，但其斷口更平齊，顯微形貌多呈現(xiàn)為“發(fā)紋”狀，有時也有平行條紋出現(xiàn)。
應(yīng)該說，斷口的形貌特征以及其斷裂發(fā)生的機理是比較多的，有興趣的材料工程師可查閱有關(guān)專著或文獻。
（三）發(fā)紋檢驗
發(fā)紋檢驗是通過沿塑性變形方向剖切壓力加工管配件，然后進行酸浸，使發(fā)紋缺陷呈現(xiàn)出來的一種檢驗方法。由于許多管配件是由推制、擠壓等方法制造的，所以了解發(fā)紋的檢驗方法是有現(xiàn)實意義的。但是發(fā)紋檢驗屬于破壞性試驗，不宜用于成品的檢驗，多用于工藝評定過程中。
在檢驗中，發(fā)紋與金屬的偏析帶、流線等往往很難區(qū)分，此時應(yīng)請專業(yè)技術(shù)人員或采用微觀分析檢驗進行檢驗分析。關(guān)于發(fā)紋的評定可參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行。
（四）印痕檢驗
印痕檢驗可以直接檢驗鋼坯或成品整個斷面上硫和磷的含量（定性）及偏析分布情況。與微觀分析相比，它常用于較嚴重或者說存在面積較大的偏析情況。
我們已經(jīng)知道，硫和磷都是有害元素，它們的存在嚴重影響著材料的強度、脆性和耐腐蝕性等，故對它的檢驗及評定也是判定材料質(zhì)量的一個重要手段。
印痕檢驗也是通過利用一定的腐蝕介質(zhì)與材料的不同成分發(fā)生不同的反應(yīng)原理而進行的一種試驗。與酸浸試驗所不同的是，印痕檢驗是用浸過腐蝕介質(zhì)的相紙貼在被檢驗表面上，然后根據(jù)相紙上留下的斑點痕跡來判斷。硫和磷所用的腐蝕介質(zhì)不同，前者一般是用2%~5%的硫酸溶液作為腐蝕介質(zhì)，后者一般是用硫代硫酸鈉作為腐蝕介質(zhì)，故有時往往把檢查硫的印痕法叫做硫印法，把檢查磷的印痕法叫做磷印法。
目前，我國尚無有關(guān)印痕檢驗的評定標(biāo)準(zhǔn)。
五、微觀組織檢驗
利用金相顯微鏡將特制試樣放大到50~200倍來觀查金屬組織及其缺陷的方法稱為微觀組織檢驗。它與宏觀組織檢驗是一個承上啟下的關(guān)系，對于尺寸較大的缺陷和組織可用宏觀組織檢驗方法進行檢驗，反之則用微觀組織方法進行檢驗。工程上常用微觀組織檢驗方法檢驗金屬材料的晶粒度和細微的非金屬夾雜物。
GB6394和GB10561標(biāo)準(zhǔn)分別給出了金屬平均晶粒度測定方法和鋼中非金屬夾雜物的顯微評定方法。下面分別對它們進行介紹。
（一）晶粒度的測定及評定
在第三章中已經(jīng)講過，金屬材料的晶粒度大小對其性能影響較大，晶粒度越小，材料的綜合機械性能越好，因此測量材料的晶粒大小對鋼材的內(nèi)在質(zhì)量評判具有重要的意義。
GB6394標(biāo)準(zhǔn)中給出的晶粒度測定方法有三種：即比較法、面積法和截點法。
比較法是采用100倍的金相顯微鏡對試樣進行觀查或拍片，然后與標(biāo)準(zhǔn)評級圖相比較來評定晶粒度的大小。標(biāo)準(zhǔn)評級圖是按單位面積內(nèi)的平均晶粒數(shù)來分檔的，當(dāng)采用不同放大倍數(shù)的顯微鏡觀查時，應(yīng)進行倍數(shù)換算，換算關(guān)系在標(biāo)準(zhǔn)中已給出。
比較法共給出了四個系列標(biāo)準(zhǔn)圖譜。
系列Ⅰ：無孿晶晶粒，100倍；
系列Ⅱ：有孿晶晶粒，100倍；
系列Ⅲ：有孿晶晶粒，75倍；
系列Ⅳ：奧氏體晶粒度，100倍。
其中，奧氏體鋼用系列Ⅱ或系列Ⅳ圖譜，鐵素體鋼用系列I圖譜，不銹鋼用系列Ⅱ圖譜。
各圖譜共將晶粒級別指數(shù)分為10個標(biāo)準(zhǔn)級，超出這10級范圍的級別為倍數(shù)換算時派生出來的。晶粒度評級也允許評半級。一般情況下，1~3級為粗晶粒，4~6級為中等晶粒，7~10級為細晶粒。
晶粒度級別指數(shù)G是這樣定義的：在100倍放大鏡下，在645.16mm2面積內(nèi)包含的晶粒數(shù)N與G有如下關(guān)系：N=2G-1。
比較法是常用的一種方法，它適用于等軸晶粒等大晶粒，而且誤差較大。對于加工變形的金屬小晶粒度不能用比較法而只能用面積法或截點法。
面積法是直接計點單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)，并根據(jù)晶粒數(shù)與晶粒級別指數(shù)的關(guān)系計算出晶粒度級別指數(shù)。
截點法是直接計算單位線段長度上的晶粒界面數(shù)，并根據(jù)相應(yīng)關(guān)系式求出其晶粒級別指數(shù)。
不同放大倍數(shù)下的晶粒度換算表見表9-4所示：
表9-4 不同放大倍數(shù)下晶粒度的關(guān)系
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圖象放
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與標(biāo)準(zhǔn)評級圖編號相同圖象的晶粒度級別
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大倍數(shù)
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NO.1
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NO.2
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NO.3
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NO.4
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NO.5
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NO.6
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NO.7
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NO.8
|
NO.9
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NO.10
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|
25
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-3
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-2
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-1
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0
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1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
50
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-1
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0
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1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
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7
|
8
|
|
100
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1
|
2
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3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
200
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
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11
|
12
|
|
400
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5
|
6
|
7
|
8
|
9
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10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
|
800
|
7
|
8
|
9
|
10
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11
|
12
|
13
|
14
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15
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16
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注：該表摘自GB6394標(biāo)準(zhǔn)。
在測量金屬材料晶粒度時應(yīng)注意以下幾個問題：
a、如果被測試樣中的晶粒大小不均勻時，應(yīng)同時給出其中主要的幾個晶粒度。例如，如果某試樣中的主要晶粒有6、7、8三級，則標(biāo)記為該材料的晶粒度為6~8級。當(dāng)某試樣中的一種級別的晶粒數(shù)目能占總數(shù)的90%以上時，例如前面提到的試樣中6級晶粒度的晶粒數(shù)能占90%以上時，則標(biāo)記該材料為6級晶粒度。
b、金屬的實際晶粒度測定時，試樣應(yīng)從實際的加工狀態(tài)或熱處理狀態(tài)中制取，并按規(guī)定進行拋光和浸蝕，然后拿到金相顯微鏡下觀查。
c、金屬的奧氏體晶粒度測定時，要采用滲碳法或氧化法等進行特殊處理，以便在室溫下能顯示出奧氏體晶粒的大小。特殊處理后的試樣再進行拋光和浸蝕，拿到金相顯微鏡下去觀查。檢查奧氏體晶粒度的目的主要是考評其奧氏體長大的傾向。
（二）非金屬夾雜物的測定及評定
金屬材料中的非金屬夾雜物是指材料中不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物、硅酸鹽和氮化物等，它們與未熔化或澆注過程中落入的非金屬物相比，其尺寸較?。ㄒ睙掃^程中未及時排出的熔渣除外），但對材料的性能如疲勞極限、沖擊韌性、塑性、耐蝕性（尤其是應(yīng)力腐蝕）等影響較大。因此評審金屬材料中非金屬化合物的含量、存在形態(tài)和分布情況是評定金屬材料內(nèi)在質(zhì)量的又一重要指標(biāo)。
前面已經(jīng)講到，對于外來的大量夾雜物和由硫、磷偏析或化合形成的大尺寸夾雜物，可采用宏觀組織分析的方法（如酸浸和印痕法）進行評定，但對于小尺寸、分散分布的非金屬夾雜物就須要借助于微觀顯微分析法了。有的材料可以先進行宏觀組織分析，如果顯示太小，可進一步進行微觀分析。而有些材料，如電弧爐冶煉的材料只須進行微觀分析就可以。
非金屬夾雜物的檢驗一般是采用金相法并輔以一定的化學(xué)浸蝕進行的。金相法是利用不同非金屬夾雜物所具有的不同機械性能、形態(tài)、光學(xué)特征和化學(xué)特征，借助于金相顯微鏡的明、暗場及偏振光來觀查甄別的。一些專著和標(biāo)準(zhǔn)中給出了不同非金屬夾雜物的存在形態(tài)及呈現(xiàn)的光學(xué)特征，有興趣的材料工程師可查閱相應(yīng)的專著或標(biāo)準(zhǔn)。
GB10561標(biāo)準(zhǔn)對非金屬夾雜物的評級也是采用標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較法進行的。它按四類不同的非金屬夾雜物共給出了四套標(biāo)準(zhǔn)圖譜，每類又按材料的厚度和直徑不同分為粗、細兩個系列。這四類非金屬夾雜物分別是：A類——硫化物類型；B類——氧化鋁類型；C類——硅酸鹽類型；D類——球狀氧化物類型。標(biāo)準(zhǔn)共給出1、2、3、4、5共五個評定級別，當(dāng)實物缺陷介于兩標(biāo)準(zhǔn)圖譜之間時允許評半級。非金屬夾雜物的級別表示方法由三部分組成，即“類型字母（A、B、C或D）+評定級別號（例如2，3，5等）+粗系列代號e(細系列省略) ”。
六、無損檢測
無損檢測（也稱無損探傷）是利用射線、超聲波、電磁、滲透等物理方法，在不損傷、不破壞被測物體的情況下，探測出材料內(nèi)部或表面缺陷的一種檢測方法。它與前面所講到檢查方法相比，具有下列顯著的優(yōu)點：
a、無須破壞被檢物體，故可大量應(yīng)用于成品件的檢測；
b、檢查區(qū)域廣，檢測迅速。例如，宏觀組織檢驗一次只能檢驗一個區(qū)域，而無損探傷可以快速地檢查所有要檢查的區(qū)域。
但是，在一定的場合它是不能代替前面所講的其它檢驗方法的，故掌握它們各自的特點，以便在工程設(shè)計中，根據(jù)不同的應(yīng)用條件進行適當(dāng)取舍，相互配合應(yīng)用，以最經(jīng)濟和最有效的手段驗證材料的質(zhì)量是否符合使用要求。
基于無損探傷所具有的以上特點，它在工程中得到了廣泛應(yīng)用。在設(shè)計文件中，出現(xiàn)頻率最高的就是無損檢測要求。
根據(jù)檢測方法和應(yīng)用目的不同，常用的無損檢測方法有以下幾種：
a、射線探傷（RT）。用于檢驗材料的內(nèi)部缺陷；
b、超聲波探傷（UT）。用于檢驗材料的內(nèi)部缺陷；
c、磁粉探傷（MT）。用于檢驗鐵磁性材料的表面或近表面缺陷；
d、滲透探傷（PT）。用于檢驗材料的表面缺陷。
e、渦流探傷。用于檢驗導(dǎo)電性材料的表面或近表面缺陷。
（一）射線探傷
射線探傷是利用射線能穿透物質(zhì)并在物質(zhì)中發(fā)生能量衰減的特性來檢驗物質(zhì)內(nèi)部缺陷的一種檢測方法。射線探傷的方法有射線照相法、熒光屏觀察法和工業(yè)X射線電視法等類型，但工程設(shè)計中最常用的是射線照相法。它的工作原理是：當(dāng)射線透過材料內(nèi)部的缺陷時，由于缺陷（如氣孔、裂紋、非金屬夾雜等）處吸收射線的能力較差，故投射到材料底部照相底片上相應(yīng)部位的感光度較大，根據(jù)底片上的不同感光度可以鑒別出缺陷的存在與否及缺陷的外型和大小。
常見缺陷在底片上的形狀特征和判別：
a、裂紋
它在底片上顯示為一條黑色的曲折線條，輪廓清晰，兩頭尖而談。值得說明的是，當(dāng)裂紋方向與照射方向一致時，在底片上顯示最清楚，否則顯示則不清楚甚至辯認不出來，此時有必要借助于其它方法（如超聲波）進行核查。
b、氣孔
它在底片上顯示為黑色的小斑點，形狀近似園狀。
c、夾渣
它在底片上顯示為外形不規(guī)則的點狀或條狀黑斑，呈點狀時其外形沒有氣孔規(guī)則，呈條狀時其外形比裂紋寬。
d、未焊透
它在底片上顯示為形狀規(guī)則、連續(xù)或斷續(xù)的黑色線條。一般情況下，它顯示出的線條比裂紋寬，比夾渣規(guī)則。
根據(jù)所采用的光源不同，射線探傷可分為X射線探傷和γ射線探傷等，γ射線穿透材料的能力大于X射線，但常用的是X射線探傷。目前，一些較大的閥門廠采用了大型的鈷—60（γ射線）探傷機，能快速透照大厚度鑄件，顯著地提高了檢查效率。
我國現(xiàn)行的射線探傷標(biāo)準(zhǔn)很多，常用的有GB3323《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級》、GB5677《鑄鋼件射線照相及底片等級分類方法》和JB4730《壓力容器無損檢測》等標(biāo)準(zhǔn)，而GB50236管道施工標(biāo)準(zhǔn)中也給出了鋼管焊接對接焊縫的射線探傷分級標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)之間有少許差異，現(xiàn)分別就GB5677和JB4730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的缺陷評級標(biāo)準(zhǔn)介紹如下：
GB5677標(biāo)準(zhǔn)將鑄鋼的內(nèi)部缺陷共分成了五大類：氣孔、夾砂和夾渣、縮孔和縮松、內(nèi)冷鐵未熔合和泥芯撐未熔合、熱裂紋和冷裂紋，并針對這些缺陷給出了1、2、3、4、5、6六個質(zhì)量評定等級，每級都規(guī)定了詳細的缺陷允許尺寸和數(shù)量。設(shè)計人員可根據(jù)使用條件確定所要求的質(zhì)量等級。
JB4730標(biāo)準(zhǔn)為一綜合性的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，其中的第二篇為射線探傷標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中它將對接焊縫的缺陷共分成了基本缺陷（包括裂紋、未熔合、未焊透）、園形缺陷、條狀夾渣等四類，并針對這些缺陷給出了Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級共四個質(zhì)量評定等級，每級都規(guī)定了詳細的缺陷允許尺寸和數(shù)量。
值得一提的是，目前工程上API標(biāo)準(zhǔn)閥門的應(yīng)用越來越多，我國的大多數(shù)閥門廠也都生產(chǎn)API閥門。在API閥門應(yīng)用規(guī)范中，其應(yīng)用的射線探傷標(biāo)準(zhǔn)為MSS SP-54，該標(biāo)準(zhǔn)將鑄鋼缺陷共分為六類：A類為氣孔，B類為夾砂和夾渣，C類為縮孔（又分為C1、C2、C3三種類型）、D類為冷裂紋，E類為熱裂紋，F(xiàn)類為鑲嵌物。該標(biāo)準(zhǔn)借助于ASTM E446和ASTM E186對上述的缺陷進行了分級，并對各類鑄件質(zhì)量提出了具體要求。
（二）超聲波探傷
超聲波探傷是利用高頻率的聲波在不同的材料界面上能反射回來的特性來進行探傷的。其作用原理是：利用晶片的壓電效應(yīng)，通入交流電使晶片產(chǎn)生振動而發(fā)出頻率為0.5~5兆赫的超聲波。超聲波在同一均勻介質(zhì)中按直線傳播，且傳播速度不變，當(dāng)它傳播到不同材料分界面上時會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，所以當(dāng)超聲波通過金屬材料時，如果遇到氣孔、非金屬夾雜物等缺陷，超聲波就會發(fā)生返射。利用儀器接受這個反射信號就可以知道缺陷的存在。
超聲波探傷是借助于超聲波探傷儀進行的。它通過探頭與被檢件的接觸，向被檢件發(fā)生超聲波并接受返回的波，經(jīng)過整理后在顯示器上顯示，并通過顯示器上波的變化來判斷有無缺陷存在和缺陷的大致類型。為了使探頭接觸良好，要求被檢件應(yīng)有一定的接觸面（能容納探頭大?。佑|面應(yīng)光滑無污物，一般要求其粗糙度不大于Ra3.2。除此之外，在探傷時還應(yīng)在被檢件表面上涂一層耦合劑，以增加探頭與被檢件接觸面間的透射率。
我國現(xiàn)行的超聲波探傷應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)較多，如GB4163、GB5777、GB7734、GB11345、GB/T15830、JB3144、JB4126和JB4730等標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)以JB4730《壓力容器無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)為例介紹超聲波探傷的缺陷評定標(biāo)準(zhǔn)。
JB4730標(biāo)準(zhǔn)基本上是將缺陷分成單個缺陷指示長度、單個缺陷指示面積、一定區(qū)域內(nèi)的缺陷面積占被檢面積的百分比共三個指標(biāo)分別進行評級的。根據(jù)被檢物的不同，其評級的級別劃分和每級的控制指標(biāo)也不相同。
1、壓力容器用鋼板超聲波檢測
它適用的鋼板厚度范圍為6mm~250mm。
它將缺陷分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個級別，每個級別的控制指標(biāo)見表9-5。
表9-5 壓力容器鋼板超探評級指標(biāo)
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等
級
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單個缺陷指示長度（mm）
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單個缺陷指示面積（cm2）
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在任一1mx1m檢測面積內(nèi)存在的缺陷面積百分比（%）
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以下單個缺陷指示面積不計（cm2）
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Ⅰ
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<60
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<25
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≤3
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<9
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Ⅱ
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<80
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<50
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≤4
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<15
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Ⅲ
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<120
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<100
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≤5
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<25
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Ⅳ
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<150
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<100
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≤10
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<25
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2、壓力容器鍛件超聲波檢測
它將缺陷分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V五個級別，每個級別的控制指標(biāo)見表9-6。
表9-6 壓力容器鍛件超探評級指標(biāo)
 等級缺陷種類
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Ⅰ
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Ⅱ
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Ⅲ
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Ⅳ
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Ⅴ
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單個缺陷當(dāng)量直徑（mm）
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≤Φ4
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Φ4+(0~8dB)
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Φ4+(>8~12dB)
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Φ4+(>12~16dB)
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>Φ4+16dB
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密集缺陷與檢測總面積的百分比（%）
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0
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>0~5
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>5~10
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>10~20
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>20
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注：該表僅適用于碳鋼和低合金鋼鍛件。
3、高壓螺栓超聲波檢測
它將缺陷分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個級別，每個級別的控制指標(biāo)見表9-7。
表9-7 高壓螺栓超探評級指標(biāo)
 等級缺陷種類
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Ⅰ
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Ⅱ
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Ⅲ
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Ⅳ
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Ⅴ
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單個缺陷當(dāng)量直徑（mm）
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≤Φ2
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≤Φ3
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≤Φ4
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≤Φ4
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>Φ5
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由缺陷引起的底波降低量（dB）
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≤8
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8~14
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>14~20
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>20~26
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>26
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4、壓力容器焊縫超聲波檢測
該標(biāo)準(zhǔn)適用于母材厚度為8mm~300mm的全焊透熔化對接焊縫的檢測，它不適用于鑄鋼及奧氏體不銹鋼的焊縫。
它規(guī)定被檢測的焊縫中不允許存在下列缺陷：
a、反射波幅位于判廢線之外的缺陷；
b、檢測人員判定為裂紋等危害性的缺陷。
除此之外，它將缺陷分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三個級別，每個級別的控制指標(biāo)見表9-8。
表9-8 壓力容器焊縫超探評級指標(biāo)（Ⅱ區(qū)內(nèi)的缺陷）
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等級
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板厚T，mm
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單個缺陷指示長度L，mm
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多個缺陷的累積指示長度L’，mm
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Ⅰ
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8~120
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L=1/3T，最小為10，最大不超過30
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在任意9T焊縫長度范圍內(nèi)L’不超過T
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>120~300
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L=1/3T，最大不超過50
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在任意9T焊縫長度范圍內(nèi)L’不超過T
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Ⅱ
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8~120
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L=2/3T，最小為12，最大不超過40
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在任意4.5T焊縫長度范圍內(nèi)L’不超過T
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>120~300
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最大不超過75
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在任意4.5T焊縫長度范圍內(nèi)L’不超過T
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Ⅲ
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8~300
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超過Ⅱ級者
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超過Ⅱ級者
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超聲波探傷和射線探傷都是用于檢查材料內(nèi)部缺陷的探傷方法，但二者相比，超聲波探傷具有以下優(yōu)缺點：
a、對經(jīng)過壓力加工的材料缺陷（如裂紋、未熔合、氣孔等），其檢測靈敏度高，尤其是當(dāng)缺陷延伸平面與檢測面垂直時，用射線探傷將無法檢驗出來；
b、檢測的材料厚度大，有時可達數(shù)米。而c射線一般僅能探測40mm~60mm厚，g射線也只能探測300mm厚；
c、可以從被檢件的任意一側(cè)進行探測，因此能定出缺陷的位置和深度，射線檢測則不能；
d、探傷速度快，能即時知道缺陷的存在與否；
e、設(shè)備簡單，檢測費用低。它的檢測費用一般不超過射線探傷的四分之一；
f、對人體無害，而射線探測對人身有害；
g、因為它不能顯現(xiàn)缺陷形態(tài)和形狀，故探傷不直觀，缺陷定性較困難；
h、探傷結(jié)果不象射線探傷那樣可保存原始記錄；
I、探傷結(jié)果受人為因素影響較大，因此有時造成探傷誤差較大。
由于上面的原因，射線探傷常用于質(zhì)量狀況較差的鑄件和焊縫的內(nèi)部探傷，而超過聲波探傷則常用于鍛件、板材、型材、管材等壓力加工的材料內(nèi)部探傷。有時為了降低探傷費用，對于焊縫和鑄件也可以先用超聲波進行探傷，然后再以少量的射線探傷進行復(fù)檢。
（三）磁粉探傷
它是利用鐵磁性材料在磁場中被磁化后，在表面或近表面的缺陷處產(chǎn)生漏磁的現(xiàn)象進行探傷的。當(dāng)鐵磁性材料置于磁鐵的N、S極之間時，便有磁力線通過。對于均勻一致的材料，磁力線是平行均勻分布的，如果材料表面或近表面有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷時，由于這些缺陷本身是非磁性的，其磁阻很大，磁力線不易穿過它而是繞過它，從而在缺陷處產(chǎn)生彎曲而將缺陷顯示出來，根據(jù)這樣的顯示特征可以判斷缺陷是否存在。
磁粉探傷時對被檢測件表面有一定的粗糙度要求，一般不低于Ra12.5μm。被檢件磁化時可以用交流電，也可以用直流電，前者由于電流的集膚效應(yīng)，而表現(xiàn)為檢測表面缺陷時靈敏度較高，后者則由于磁化場較均勻而能發(fā)現(xiàn)淺表面下較深的缺陷。另外，磁化被檢件時既要進行周向磁化，又要進行縱向磁化，以免不同方向的缺陷被漏檢。檢測過程中還應(yīng)注意由于材料晶粒大小和組織不均勻等帶來的假缺陷現(xiàn)象。
目前，國內(nèi)外應(yīng)用的磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)較多，現(xiàn)以JB4730標(biāo)準(zhǔn)為例介紹其缺陷等級的評定。
JB4730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，下列缺陷不允許存在：
a、任何裂紋和白點；
b、任何橫向缺陷；
c、焊縫及緊固件上任何長度大于1.5mm的線性缺陷顯示（線性缺陷是指長寬比大于3的缺陷）；
d、鍛件上任何長度大于2mm的線性缺陷顯示；
e、單個尺寸大于或等于4mm的園形缺陷顯示（園形缺陷是指長寬比小于等于3的缺陷）。
除上述限制外，對于缺陷顯示累積長度的評級給出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共五級標(biāo)準(zhǔn)，見表9-9。
表9-9 磁粉探傷時缺陷顯示累積長度的評級標(biāo)準(zhǔn)
 等級評定區(qū)尺寸
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Ⅰ
（mm）
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Ⅱ
（mm）
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Ⅲ
（mm）
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Ⅳ
（mm）
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Ⅴ
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35mmx100mm，用于焊縫及高壓緊固件
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≤0.5
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≤2
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≤4
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≤8
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大于Ⅳ級者
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100mmx100mm，用于各類鍛件
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≤0.5
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≤3
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≤9
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≤18
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大于Ⅳ級者
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（四）滲透探傷
它是利用某些滲透液體通過毛細作用而滲入被檢測件的表面開口缺陷內(nèi)，從而顯示出缺陷的位置和形狀的一種探傷方法。當(dāng)被檢測件表面存在缺陷時，滲透能力較強的滲透液會通過毛細作用進入缺陷內(nèi)，之后，擦去表面多余的滲透液，再將顯象劑（粉）涂覆在被檢件表面上，此時滲入到缺陷內(nèi)的滲透液會被吸出來，顯示出帶鮮明顏色的缺陷形狀，從而達到探傷的目的。
工程上應(yīng)用的滲透液種類很多，常用的有著色型和螢光型兩種。著色型滲透探傷又叫著色檢驗，它是應(yīng)用比較廣泛的一種，但它的靈敏度不如螢光型。螢光型檢驗需要借助于紫外線在暗光下檢驗，不如著色檢驗方便。
探傷前，應(yīng)注意將被檢件表面影響探傷效果的雜質(zhì)、污物清除干凈。工程上常采用堿液、酸液或蒸汽等介質(zhì)進行被檢表面的清洗，而盡量不采用機械法，以免雜物堵塞缺陷的開口而影響探傷效果。
JB4730標(biāo)準(zhǔn)中也給出了滲透探傷的缺陷評定等級，內(nèi)容同磁粉探傷。
滲透探傷與磁粉探傷都是用于材料表面缺陷檢查的探傷方法。但二者比較之下，滲透探傷有以下優(yōu)缺點：
a、它既能檢驗鐵磁性材料，又能檢驗非磁性材料，例如有色金屬、陶瓷及塑料等的表面缺陷。而磁粉探傷只能檢驗鐵磁性材料；
b、檢驗用設(shè)備和材料比較簡單，操作方便；
c、顯示缺陷比較直觀；
d、只能檢驗表面開口型缺陷，而磁粉探傷同時可檢測閉口型的淺表面缺陷。
（五）渦流探傷
渦流探傷的探傷原理是這樣的：當(dāng)被檢件置于檢測線圈產(chǎn)生的交變磁場中時，會感應(yīng)出渦流，而渦流又在被檢件附近產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)被檢件有缺陷時，其附近的渦流磁場將產(chǎn)生畸變，從而引起檢測線圈輸出電壓和位相的變化，根據(jù)這個輸出變化可以判定缺陷的存在，從而達到探傷的目的。
渦流探傷僅能用于導(dǎo)電性材料的表面或近表面探傷。由于它能實現(xiàn)連續(xù)檢測，故生產(chǎn)效率高，多用于無縫鋼管生產(chǎn)過程中的檢測。但它屬于間接測量，有時會產(chǎn)生誤差，而且不適合批量小、形狀復(fù)雜的材料檢測。
（六）其它檢測方法
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的無損檢測技術(shù)在不斷地涌現(xiàn)，例如聲發(fā)射探傷、紅外線探傷、全息照相探傷、中子探傷等。這里僅介紹兩種普遍被看好的兩種探傷，即聲發(fā)射探傷和紅外線探傷。
1、聲地射探傷
材料受外力作用時，由于其內(nèi)部缺陷的存在或微觀結(jié)構(gòu)的不均勻等將導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成不穩(wěn)定的應(yīng)力分布。材料在這種不穩(wěn)定的高能狀態(tài)向穩(wěn)定的低能狀態(tài)過渡時，一部分能量將以應(yīng)力波的形式快速向外釋放，從而產(chǎn)生聲發(fā)射。利用探頭接收這個聲音，并由此判斷缺陷的存在和發(fā)展。
聲發(fā)射探傷可用于在役設(shè)備或管道的過程監(jiān)測。
2、紅外線探傷
任何物體在絕對零度以上時都有紅外線輻射。當(dāng)材料中有缺陷存在時，缺陷處的表面溫度和熱導(dǎo)率將出現(xiàn)異常。通過對被檢測件在空間和時間上輻射功率變化的測定，可達到探傷的目的。
紅外線探傷可用于疲勞損傷過程中的無損監(jiān)測。
思考題：
1、常用的化學(xué)成分分析方法有哪些？各有何特點？
2、拉伸試驗方法能夠測試材料的哪些機械性能？
3、GB150規(guī)范對材料的低溫夏比V形缺口沖擊試驗的沖擊功是如何規(guī)定的？
4、常用的金屬材料硬度檢驗方法有哪些？各有何特點？
5、常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕檢驗方法有哪些？如何選用？
6、常用的應(yīng)力腐蝕試驗方法有哪些？各有何特點？
7、宏觀組織檢驗的作用有哪些？檢驗方法有哪些？
8、酸侵試驗檢驗的內(nèi)容有哪些？
9、試述常見斷口的形貌特征？
10、什么叫微觀組織檢驗？它在工程上常用于哪些方面的檢驗？
11、材料晶粒度的評定方法有哪些？各自是如何進行評級的？
12、常用的無損探傷方法有哪些？
13、射線探傷和超聲波探傷方法相比，各有何優(yōu)缺點？
14、磁粉探傷和液體滲透探傷方法相比，各有何優(yōu)缺點？
