从探伤到评价：无损检测的演变内涵

编者 李家伟

当今，所谓的无损检测是指以不损及其将来使用功能和使用可靠性的方式，对材料、制件或此两者进行宏观缺陷检测，几何特性测量，化学成分、组织结构和力学性能变化的表征，并进而就材料或制件对特定应用的适用性进行评价的一门学科。无损检测的内涵从探伤到评价的这种演变，从航空工业的发展中，可以得到很好的理解。

在飞机设计的早期，人们以材料是无缺陷的连续均匀介质为前提来计算构件的承载能力并以此作为产品设计的依据，结构的唯一强度标准是静力强度。设计人员承认在零件中可能存在宏观缺陷，但认为这可通过无损检测予以确定，当时对无损检测的要求也只是把有缺陷的零件分选出来。

第二次世界大战后，随着飞机使用率的提高和服役期的延长，出现了以英国慧星号为代表的多起疲劳破坏事故，疲劳问题引起了人们的重视。飞机结构设计中采用了安全寿命的概念，要求设计的飞机除了静强度外还必须满足疲劳寿命的要求，通过对材料、部件和全尺寸飞机构件的试验确定结构的疲劳寿命，再除以安全系数作为飞机的安全寿命，而一旦出现了裂纹就认为结构已到了寿命。这种安全寿命设计不考虑材料和构件在初始状态时可能带有冶金或加工缺陷，也不考虑构件在服役过程中因环境或过载等可产生裂纹的事实，因而也就不能从设计上有效保证构件在寿命期内的安全性。但材料工程专家却认识到材料或零件中细小的冶金或加工缺陷往往就是疲劳源，而使用中疲劳损伤是较难探测的。由此，对无损检测提出了提高检测灵敏度和研究疲劳损伤检测方法的要求。

随着高强度、超高强度材料在飞机结构上的应用，20世纪60年代末出现了多起安全寿命设计飞机的灾难性事故：1969年12月，美国F—111飞机在执行训练任务作投弹后的恢复动作时左翼脱落招致飞机坠毁，根据有关部门分析，当时飞机的速度、总质量和过载等指标远低于设计极限，主要是机翼枢轴由于热处理不当，初始小缺陷漏检，经扩展而引起的低应力脆断。紧接着又发生了C—5A飞机机翼出现裂纹的故障。而这两类飞机都曾按美国空军飞机结构完整性规划进行过充分的试验分析。这使人们认识到安全寿命设计并不能保证安全，无损检测也不能保证不漏检，从而给飞机设计思想和无损检测的可靠性研究领域带来了新的课题。

20世纪70年代，破损安全设计概念建立并得到了试验的支持。破损安全设计通过使用多载荷通道、止裂装置或此两者进行设计。在构件使用寿命期间，疲劳裂纹或其他损伤在规定的检测期内被检出之前将不发展到毁坏性状态，飞机工业由于采用破损安全设计思想，有效地减少了早期失效问题。断裂力学的发展使破损安全设计思想更臻完善，而在20世纪70年代中期以后，基于断裂力学理论进行损伤容限设计和对无损检测可靠性进行定量评定的要求几乎同时形成。

断裂力学方法的概念是假定在所有的材料中均会出现初始缺陷，而去定量描述它们对结构完整性的影响，通过零件实际工作条件和材料性能的分析试验：①对不可检结构给出最大允许初始缺陷尺寸（损伤容限）：②对于可检构件给出最大允许初始缺陷并给出检修周期，以保证结构在给定的使用寿命期限内不致由于缺陷的扩展而出现灾难性事故。显然，它的实施必须取得无损检测的密切配合。须知，最大允许初始缺陷尺寸（a_NDT）的确立、使用期间对缺陷是否萌生和发展到何种程度的了解取决于无损检测的检出能力和可靠性。在这里，无损检测的作用有了重要的变化——进入了定量无损检测的阶段。其主要要求如下：

1）检测方法和设备要便于现场使用。(www.xing528.com)

2）有定量检测缺陷大小的能力。

3）必须有符合要求的可靠性（90/95）。

很显然，如果没有生产质量控制和定量无损检测技术的实施，损伤容限设计便没有意义，设计人员正是利用无损检测所能达到的能力作为基础之一进行设计的。

在所有结构完整性的评价方法中，都假设在特定的温度下材料对裂纹成长的抗力在材料中是均一的，且在构件的使用期间并不改变，从而可采用损伤、断裂力学中的一些准则来预示载荷下的断裂。但是，随着科学技术的发展，工业所要求的材料是价格要尽可能的低，而可达到的性能和可靠性要尽可能的高的材料。三十多年来，大量工程结构材料，包括高合金含量的金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料以及各种表面改性材料正在快速发展，以满足上述要求，而它们已不再具有上述性能的均一性和与时间的无关性了。由于不连续性出现的必然性、随机性，仅做个别截面的破坏性检测显然是不够的，也使无损检测的内涵由单纯的对宏观缺陷作定量检测再延伸到对材料进行无损表征成为历史的必然。当然，这也与无损检测技术自身的发展已开始具有这种能力有关。这在1970年于汉诺威举行的第六届世界无损检测讨论会上已有清楚的体现。

材料的无损表征（nondestructive characteriza-tion，NDC）是指用无损的方法就材料的化学成分、组织结构、力学性能变化、弥散的不连续性和缺陷群等对材料的制备和使用有重要意义的特征作出表述。这些材料和工艺特征信息：①可用以找出工艺参量与材料性能之间的关系，这有助于改进工艺，使产品质量稳定在一较高的水平上；②可使对材料构件在设定的应力及环境载荷下，在给定的寿命期间能否可靠使用或作长期保存后是否仍能可靠使用作出评价成为可能——无损检测的内涵由无损检测、定量无损检测、材料的无损表征进展到了无损评价（nondestructive evaluation）阶段。

应该着重指出，延伸到无损表征的无损检测是对材料/结构进行无损评价的基础，而对于无损评价来说，设计/结构分析人员，材料/工艺人员与无损检测人员的相互协作非常重要。从事无损检测、无损评价工作的技术人员除必须掌握方法的理论基础，能正确运用检测技术外，也需要对设计要求有很好的理解，对制造过程有丰富的知识，以了解不同工艺可能引起的缺陷特征及其对材料性能的影响。