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摘要：本文介绍X射线及其检测技术在金属材料检测中的应用，特别是针对于材料内部缺陷的无损检测方面做了简要的阐述。X射线检测技术的发展可以有效的降低材料加工中的生产成本，改善金属材料的性能。
关键词：X射线; 层析成像法; 微焦点; 实时成像
中图分类号：TB487文献标识码： A
1. 引言
金属材料的检测技术伴随着物理及化学学科的发展，为了满足不断提高的生产要求，在近几十年来有了长足的发展，尤其在近年来已经成了生产过程中一种必不可少的手段。在实际的生产中，金属材料的检测方法要符合检测过程方便性和结论数据可靠性的原则，这也是工业界保证产品质量，降低生产及检测成本，提高生产效率的必要条件之一。检测技术在生产中的应用其意义在于，利用对金属的检测结果指导生产工艺和工序和进行必要的调整，从而保证生产中人员和设备的安全[1]。现有且常见的材料检测技术已经能够将金属的微观结构到与之相关的性能建立较好的关联性，但是，我们还认识到大部分的现有检测技术需要经过样品的提取，特别是常见金属材料的检测，对构件或零件取样常常要破坏其使用性能甚至直接报废。在实际生产中，特别是大型构件的生产，要确保较低的成本下较准确地预判定材料中可能出现的缺陷，“破坏”式的检测技术显然不能满足生产的要求。为此，无损检测技术应运而生。
无损检测是在不破坏产品原来的形状并且不改变其使用性能,对产品进行检测(或抽检)的前提下，以确保其可靠性和安全性的检测技术。其检测过的样品只要满足技术要求，即可正常服役。该技术的基本原理是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件和结构件等内部和表面缺陷，并能对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价[2]。无损检测技术主要有：X射线层析成像、红外热成像、超声Ａ扫描及Ｃ扫描、声发射、微焦点Ｘ射线、超声显微镜、激光检测法、中子照相法、敲击法以及声-超声检测法等。近年来，这些方法已在自动化技术、探测器技术、信息处理和资料存储等方面取得很大的进展，特别是用于航天航空领域的陶瓷基复合材料构件的制造中发挥着极为重要的作用[3]。在这些检测中，与X射线相关的检测技术在金属材料为原材料的机械产品检测中[4]，如压力容器，已经显示出巨大的优势，并且众多生产企业已经配备了类似的检测设备。
2. X 射线[5]
X射线与放射线以及电子并列为19世纪末20世纪初物理学的三大发现。X射线的发现标志着现代物理学的产生，其波长范围在0.01纳米到10纳米之间（对应频率范围30PHz到30EHz）的电磁波，具波粒二象性。电磁波的能量以光子(波)的形式传递。当X射线光子与原子撞击，原子可以吸收其能量，原子中电子可跃迁至更高电子轨态，单一光子能量足够高(大于其电子之电离能)时可以电离出原子。
2.1 X射线特征[6]
1. 特征频率值高
X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为（20～0.06）×10-10米之间。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。
2. 辐射同步
X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成 ，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶材阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限λ0由加速电压V决定：λ 0 = hc /( ev ) （h为普朗克常数， e为电子电量， c为真空中的光速）。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。
3. 穿透力强
X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。根据能量的大小，而且射线又可分区二种，即由于波长越短的X射线具备的能量越大，这种叫做硬X射线，而把波长长的X射线因其能量较低，被称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，金属靶就放出X射线。
2.2 X射线检测技术
在工业上有关X射线的检测技术有如下几种：
2.2.1 X射线层析成像法（X-CT）[7,8]
所谓CT (Computed Tomography)是根据物体外部获取的某种物理量的测试值, 去重建物体内某一特定断面上的某种物理量的无重迭二维图象, 用依次相继获取的一系列断面图可构成三维内部立体图象[9]。X射线层析成像的特点是：（1）高的空间分辨率和密度分辨率（通常＜0.5％）；（2）高检测范围（1 mm~106 mm）；（3）成像的尺寸精度高，可实现直观的三维图像；（4）在有足够的穿透能量下，可不受试件几何结构的限制等。在这种方法仍旧具有局限性，大体上表现为检测效率低、检测成本高、双侧透射成像，不适于平板薄件的检测以及大型构件的现场检测。在实际生产中，X射线层析成像的用途主要归结为：（1）非微观缺陷的检测；（2）密度分布的测量；（3）内部结构尺寸的精确测量；（4）装配结构和多余物检测；（5）三维成像与CAD/CAM 等制造技術结合而形成的所谓反馈工程。
2.2.2 微焦点X射线[8,10]
微焦点X射线检测有3 种方法：（1）接触显微射线照相，即按常规几何射线照相，然后以光学或高倍放大射线照片；（2）使用很小焦点的X射线设备，在射线照相过程中进行几何放大；（3）非对称衍射，实际上是X射线透镜，放大低能X射线图像。陶瓷显微X射线照相检验可以揭示表面和内部的小尺寸缺陷，可以检测的缺陷尺寸决定于在样品厚度上出现的对比度和由检测器的不清晰度及系统几何结构决定的系统的空间分辨率特征。
2.2.3 X射线实时成像检测技术[11]
X射线成像检测原理如图1所示。X射线穿过复合材料时，由于缺陷处和完好处对射线的吸收情况不同，将形成不同的不可见X光图像；再经图像增强器转换为可见光图像；可见光图像通过摄像机摄取，经接收放大，即可输送到监视器进行实时观察；摄像机的图像信号也可输入计算机，经A/D转换后形成数字图像，数字图像提供复合材料内部缺陷的各种信息，运用专用软件可对数字图像进行技术评定。当采用小焦点X射线源、高清晰度图像增强器、高分辨率数字采集卡、计算机数字化程序处理技术和高分辨率图像显示技术时，X射线数字化实时成像的图像质量可满足X射线胶片照相的要求。
X射线实时成像检测技术可代替X射线胶片照相探伤方法，具有实时、动态以及可以连续地从各个角度对试件进行检测的优点。与普通射线照相法相比，X射线实时成像系统一般可对复合材料进行100%检查，有效避免漏检；成像速度快，可及时得出检测结果，检测工作基本在数秒至几分钟内完成，检测效率高，同时可实时监视曝光情况，方便随时调整射线能量或曝光时间；检测结果影像可通过系统控制主机方便地保存、查询和复制，既有利于保存原始数据，又便于用户对原始数据的检索；检测人员可远离X射线源，有效地解决了防护问题，减轻了操作人员的劳动强度。
图1 X射线成像检测原理图[11]
3 总结与展望
X射线已经在材料科学的研究中体现了巨大的作用，是高效研究手段之一。从材料的结构的判定，到应力状态的分析，X射线都能起到很好的作用。X射线的分辨率仍需要更大的提高，特别是应用于介观尺寸以下的组织或缺陷分析。总之，X射线是一種有效且仍在发展的材料分析手段。现阶段，对于X射线检测技术来说，经过长期的理论创新和技术个性，已经被广泛应用于金属材料的金属中。但是面对生产技术的“爆炸”式发展，X射线检测技术的研究与设备的发明也应进一步的深入与创造。
参考文献
[1] 赵振安, 李新华. 论我国金属材料检测方法. 黑龙江科技信息. 2011, 16: 4-4
[2] 郁青,何春霞. 无损检测技术在复合材料检测中的应用. 工程与试验. 2009, 49(2): 24-29
[3] 李明科，陈卫民，李卫东，杨长明. 无损检测技术在陶瓷材料检测中的应用. 应用技术. 2006, 6:157-157
[4] Cullity, B.D. Elements of X-Ray Diffraction 2nd. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. 1978
[5] 陈文哲. 材料测试与表征技术的挑战和展望. 理化检验-物理分册. 2007, 43(5):245-249
[6] 梁栋材. X射线晶体学基础. 科学出版社. 2006
[7] 吴东流. 复合材料CT 检测的原理和应用. 宇航材料. 2001, 1:42～48
[8] 罗文辉, 陈虹, 于水, 齐建梅. 陶瓷材料的无损检测技术. 现代技术陶瓷. 2013, 95:35-38
[9] 徐涛清. 复合材料无损检测技术新进展. 宁波材料工艺. 1996, 2:63-66
[10] 武杰, 陈家璧, 张学龙, 程静海. 基于微焦点X射线源的相位衬度成像实验研究. 电子测量与仪器学报. 2010, 24(7):621-625
[11] 张海兵 孙金立 张浩然. X射线成像技术在飞机复合材料检测中的应用. 航空维修与工程. 2009, 6:81-82
Application of X-ray in Characterization of Metallic Materials
Han Lu, Su Keke
Jiangsu Sifang Boiler Co. LTD., Xuzhou Jiangsu, 221142
Abstract: In this paper, the applications of X-ray in the characterization of metallic materials were described and interpreted, mainly focused on the characterization of microstructure and defects in metallic materials. It is believable that X-ray has played a crucial role in increasing productivity and enhancing the performance of materials.
Keywords: X-ray; tomography; microfocus; Real-time radiography
关键词：X射线; 层析成像法; 微焦点; 实时成像
中图分类号：TB487文献标识码： A
1. 引言
金属材料的检测技术伴随着物理及化学学科的发展，为了满足不断提高的生产要求，在近几十年来有了长足的发展，尤其在近年来已经成了生产过程中一种必不可少的手段。在实际的生产中，金属材料的检测方法要符合检测过程方便性和结论数据可靠性的原则，这也是工业界保证产品质量，降低生产及检测成本，提高生产效率的必要条件之一。检测技术在生产中的应用其意义在于，利用对金属的检测结果指导生产工艺和工序和进行必要的调整，从而保证生产中人员和设备的安全[1]。现有且常见的材料检测技术已经能够将金属的微观结构到与之相关的性能建立较好的关联性，但是，我们还认识到大部分的现有检测技术需要经过样品的提取，特别是常见金属材料的检测，对构件或零件取样常常要破坏其使用性能甚至直接报废。在实际生产中，特别是大型构件的生产，要确保较低的成本下较准确地预判定材料中可能出现的缺陷，“破坏”式的检测技术显然不能满足生产的要求。为此，无损检测技术应运而生。
无损检测是在不破坏产品原来的形状并且不改变其使用性能,对产品进行检测(或抽检)的前提下，以确保其可靠性和安全性的检测技术。其检测过的样品只要满足技术要求，即可正常服役。该技术的基本原理是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件和结构件等内部和表面缺陷，并能对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价[2]。无损检测技术主要有：X射线层析成像、红外热成像、超声Ａ扫描及Ｃ扫描、声发射、微焦点Ｘ射线、超声显微镜、激光检测法、中子照相法、敲击法以及声-超声检测法等。近年来，这些方法已在自动化技术、探测器技术、信息处理和资料存储等方面取得很大的进展，特别是用于航天航空领域的陶瓷基复合材料构件的制造中发挥着极为重要的作用[3]。在这些检测中，与X射线相关的检测技术在金属材料为原材料的机械产品检测中[4]，如压力容器，已经显示出巨大的优势，并且众多生产企业已经配备了类似的检测设备。
2. X 射线[5]
X射线与放射线以及电子并列为19世纪末20世纪初物理学的三大发现。X射线的发现标志着现代物理学的产生，其波长范围在0.01纳米到10纳米之间（对应频率范围30PHz到30EHz）的电磁波，具波粒二象性。电磁波的能量以光子(波)的形式传递。当X射线光子与原子撞击，原子可以吸收其能量，原子中电子可跃迁至更高电子轨态，单一光子能量足够高(大于其电子之电离能)时可以电离出原子。
2.1 X射线特征[6]
1. 特征频率值高
X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为（20～0.06）×10-10米之间。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。
2. 辐射同步
X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成 ，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶材阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限λ0由加速电压V决定：λ 0 = hc /( ev ) （h为普朗克常数， e为电子电量， c为真空中的光速）。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。
3. 穿透力强
X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。根据能量的大小，而且射线又可分区二种，即由于波长越短的X射线具备的能量越大，这种叫做硬X射线，而把波长长的X射线因其能量较低，被称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，金属靶就放出X射线。
2.2 X射线检测技术
在工业上有关X射线的检测技术有如下几种：
2.2.1 X射线层析成像法（X-CT）[7,8]
所谓CT (Computed Tomography)是根据物体外部获取的某种物理量的测试值, 去重建物体内某一特定断面上的某种物理量的无重迭二维图象, 用依次相继获取的一系列断面图可构成三维内部立体图象[9]。X射线层析成像的特点是：（1）高的空间分辨率和密度分辨率（通常＜0.5％）；（2）高检测范围（1 mm~106 mm）；（3）成像的尺寸精度高，可实现直观的三维图像；（4）在有足够的穿透能量下，可不受试件几何结构的限制等。在这种方法仍旧具有局限性，大体上表现为检测效率低、检测成本高、双侧透射成像，不适于平板薄件的检测以及大型构件的现场检测。在实际生产中，X射线层析成像的用途主要归结为：（1）非微观缺陷的检测；（2）密度分布的测量；（3）内部结构尺寸的精确测量；（4）装配结构和多余物检测；（5）三维成像与CAD/CAM 等制造技術结合而形成的所谓反馈工程。
2.2.2 微焦点X射线[8,10]
微焦点X射线检测有3 种方法：（1）接触显微射线照相，即按常规几何射线照相，然后以光学或高倍放大射线照片；（2）使用很小焦点的X射线设备，在射线照相过程中进行几何放大；（3）非对称衍射，实际上是X射线透镜，放大低能X射线图像。陶瓷显微X射线照相检验可以揭示表面和内部的小尺寸缺陷，可以检测的缺陷尺寸决定于在样品厚度上出现的对比度和由检测器的不清晰度及系统几何结构决定的系统的空间分辨率特征。
2.2.3 X射线实时成像检测技术[11]
X射线成像检测原理如图1所示。X射线穿过复合材料时，由于缺陷处和完好处对射线的吸收情况不同，将形成不同的不可见X光图像；再经图像增强器转换为可见光图像；可见光图像通过摄像机摄取，经接收放大，即可输送到监视器进行实时观察；摄像机的图像信号也可输入计算机，经A/D转换后形成数字图像，数字图像提供复合材料内部缺陷的各种信息，运用专用软件可对数字图像进行技术评定。当采用小焦点X射线源、高清晰度图像增强器、高分辨率数字采集卡、计算机数字化程序处理技术和高分辨率图像显示技术时，X射线数字化实时成像的图像质量可满足X射线胶片照相的要求。
X射线实时成像检测技术可代替X射线胶片照相探伤方法，具有实时、动态以及可以连续地从各个角度对试件进行检测的优点。与普通射线照相法相比，X射线实时成像系统一般可对复合材料进行100%检查，有效避免漏检；成像速度快，可及时得出检测结果，检测工作基本在数秒至几分钟内完成，检测效率高，同时可实时监视曝光情况，方便随时调整射线能量或曝光时间；检测结果影像可通过系统控制主机方便地保存、查询和复制，既有利于保存原始数据，又便于用户对原始数据的检索；检测人员可远离X射线源，有效地解决了防护问题，减轻了操作人员的劳动强度。
图1 X射线成像检测原理图[11]
3 总结与展望
X射线已经在材料科学的研究中体现了巨大的作用，是高效研究手段之一。从材料的结构的判定，到应力状态的分析，X射线都能起到很好的作用。X射线的分辨率仍需要更大的提高，特别是应用于介观尺寸以下的组织或缺陷分析。总之，X射线是一種有效且仍在发展的材料分析手段。现阶段，对于X射线检测技术来说，经过长期的理论创新和技术个性，已经被广泛应用于金属材料的金属中。但是面对生产技术的“爆炸”式发展，X射线检测技术的研究与设备的发明也应进一步的深入与创造。
参考文献
[1] 赵振安, 李新华. 论我国金属材料检测方法. 黑龙江科技信息. 2011, 16: 4-4
[2] 郁青,何春霞. 无损检测技术在复合材料检测中的应用. 工程与试验. 2009, 49(2): 24-29
[3] 李明科，陈卫民，李卫东，杨长明. 无损检测技术在陶瓷材料检测中的应用. 应用技术. 2006, 6:157-157
[4] Cullity, B.D. Elements of X-Ray Diffraction 2nd. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. 1978
[5] 陈文哲. 材料测试与表征技术的挑战和展望. 理化检验-物理分册. 2007, 43(5):245-249
[6] 梁栋材. X射线晶体学基础. 科学出版社. 2006
[7] 吴东流. 复合材料CT 检测的原理和应用. 宇航材料. 2001, 1:42～48
[8] 罗文辉, 陈虹, 于水, 齐建梅. 陶瓷材料的无损检测技术. 现代技术陶瓷. 2013, 95:35-38
[9] 徐涛清. 复合材料无损检测技术新进展. 宁波材料工艺. 1996, 2:63-66
[10] 武杰, 陈家璧, 张学龙, 程静海. 基于微焦点X射线源的相位衬度成像实验研究. 电子测量与仪器学报. 2010, 24(7):621-625
[11] 张海兵 孙金立 张浩然. X射线成像技术在飞机复合材料检测中的应用. 航空维修与工程. 2009, 6:81-82
Application of X-ray in Characterization of Metallic Materials
Han Lu, Su Keke
Jiangsu Sifang Boiler Co. LTD., Xuzhou Jiangsu, 221142
Abstract: In this paper, the applications of X-ray in the characterization of metallic materials were described and interpreted, mainly focused on the characterization of microstructure and defects in metallic materials. It is believable that X-ray has played a crucial role in increasing productivity and enhancing the performance of materials.
Keywords: X-ray; tomography; microfocus; Real-time radiography