Развитие промышленности повлекло за собой развитие методов испытания материалов. Они разделяются на две группы: испытание без разрушения образца и с разрушением образца. Развитие техники приводит к широкому распространению методов испытания материалов без разрушения образца. Целью этих испытаний является нахождение дефектов. Кроме того, существуют также исследования, определяющие состав материала. Наиболее известны рентгеноструктурный анализ, рентгенодефектоскопия, у-дефектоскопия, магнитная дефектоскопия, испытание с применением ультразвука. 

 Нами наиболее подробно будут рассмотрены первые три метода. 

 При рентгеноструктурном анализе исследуется кристаллическая и атомная структура материала. В основе анализа лежит использование волновой природы рентгеновского излучения. Кристаллическая решетка исследуемого материала с постоянной решетки, равной нескольким А, играет такую же роль для рентгеновских лучей, как оптическая решетка для видимого света. Рентгеновские лучи, отраженные с разной глубины кристалла, интерферируют. В основном они погашаются и только в некоторых особых направлениях усиливают друг друга. Усиление возникает при разности пройденного пути между отраженными лучами, равной кратному длины волны. С помощью рентгеноструктурного анализа можно определить структуру кристаллической решетки материалов, размеры кристаллической решетки, изменение структуры материала под действием термообработки и холодной обработки и т. д. 

 При рентгенодефектоскопии исследуется макроструктура и гомогенность материала. В основе исследования лежит ослабление интенсивности рентгеновских лучей при прохождении их через вещество. Рентгенодефектоскопия служит для обнаружения дефектов сварки (включение шлаков, газов, трещины, недостаточное сплавление) и для исследования качества отливок. Исследования с применением у-излучения используются для целей дефектоскопии. Гамма-лучи обычно обладают большей жесткостью, чем рентгеновское излучение, их проникающая способность больше, поэтому они пригодны для исследования объектов большей толщины. 

 В дальнейшем мы подробно рассмотрим принципиальные основы, необходимые для понимания рентгеноструктурного анализа, рентгенодефектоскопии и у-дефектоскопии, способы исследования, наиболее известные рентгеновские аппараты для исследования материалов и их главные технические характеристики.

Рентгеноструктурный анализ 

 Долгое время не удавалось обнаружить явления интерференции, этого убедительного доказательства волновой природы рентгеновских лучей. Безуспешные опыты, проведенные с обычными оптическими решетками, привели к выводу: если рентгеновские лучи имеют волновой характер, то их длина волны должна быть приблизительно в 10⁴ раз меньше длины волны видимого света. В этом случае нельзя ожидать появления дифракции на оптических решетках. Надо искать такую решетку, постоянная которой приблизительно совпадает с длиной волны рентгеновских лучей. 

 Впервые Лауэ предложил в качестве дифракционной решетки применять естественный кристалл. Атомы и молекулы кристаллов расположены в пространстве правильно и создают пространственную решетку. Их постоянные на три-четыре порядка меньше постоянной оптических решеток. Ниже излагаются только наиболее распространенные методы рентгеноструктурного анализа. 

Рис. 12.1. Метод Лауэ
РТ - рентгеновская трубка; О - свинцовая диафрагма; К - кристалл; Пл - пленка

 Метод Лауэ. В первых опытах были применены кристаллы ZnS. Схема опыта показана на рис. 12.1. Пучок рентгеновских лучей, выходящих из рентгеновской трубки, через тонкую щель свинцовой пластинки попадает на кристалл ZnS. Пленка, расположенная за кристаллом, чернеет не только в одной точке, соответствующей исходному направлению рентгеновских лучей, но и в других точках, расположенных симметрично этой точке. Полученный снимок называется диаграммой Лауэ. Она изменяется в зависимости от структуры кристалла и положения его относительно источника излучения. Рентгеновские лучи, дифрагированные ионами исследованного кристалла как пространственной решеткой, вследствие интерференции погашают и только в некоторых, математически определенных направлениях усиливают друг друга. Рентгеновские лучи, отклоненные в этих направлениях, создают черные пятна на рентгеновской пленке. Этот способ исследования редко применяется в испытании материала ввиду больших расходов на создание монокристалла и трудностей его заготовки. 

 Метод Лауэ является методом рентгеноспектрографии, служащим для разделения и измерения компонентов смеси рентгеновского излучения с разной длиной волны. Этот способ исследования пригоден для обнаружения напряжений, возникающих в металлах при термообработке и деформировании в холодном состоянии. Оценка диаграммы Лауэ очень трудоемка. 

 Метод вращающегося кристалла (метод Брагга). При методе Лауэ условие интерференции определяется сложным выражением, а по методу Брагга описывается простым соотношением. Рентгеновские лучи, падающие на данный кристалл под углом альфа, отражаются в заметной мере только тогда, когда длина их волны удовлетворяет соотношению 2d sin a = кл, где d - расстояние между световыми (атомными) плоскостями кристалла; а - угол между падающим лучом и атомной плоскостью; к = 1, 2, 3 ... целое число; л - длина волны. 

 к - обычно принимает значение целых чисел. Так различают отражение первого, второго и т. д. порядков. Рентгеновские лучи с разной длиной волны отражаются с поверхности кристалла под разными углами. 

 Изменяя угол падения рентгеновских лучей с разной длиной на пластину кристалла путем ее поворачивания, видим, что рентгеновские лучи с разной длиной волны отражаются в разных направлениях. Иначе говоря, вращая пластину, мы разложим комплексное рентгеновское излучение на спектр, который можно зарегистрировать на пленке. 

 Принцип метода вращающегося кристалла показан на рис. 12.2. Пусть пучок рентгеновских лучей, проходящий через тонкое отверстие свинцовой пластины, содержит компоненты с длиной волны л1, л2 и л3. Кристалл, поворачиваемый при помощи часового механизма, согласно условию Брагга, под углом а1, отражает рентгеновские лучи с длиной волны л1, а под углами а2 и а3 - л2 и л3. Рентгеновским лучам с разной длиной волны на пленке соответствуют отдельные линии, как и при оптических спектрах. Недостатком метода является трудность создания и заготовки кристалла. 

Рис. 12.2. Метод Брагга 
РТ - рентгеновская трубка; О - свинцовая диафрагма; К - вращающий кристалл; Пл - пленка 

 Метод Дебая - Шеррера. При падении рентгеновских лучей на спрессованный кристаллический порошок наблюдается явление дифракции. В порошке кристалла атомные плоскости лежат во всевозможных направлениях, поэтому будет иметь место дифракция во всех направлениях. Согласно условию Брагга; компонентам рентгеновского излучения соответствует некоторый угол а. При предыдущем методе это было установлено путем вращения кристалла. В порошке кристаллы находятся во всевозможных положениях, таким образом, дифракционная картина будет симметрична относительно падающего первичного излучения. Дифрагированные лучи распространяются по конической поверхности. На рентгеновской пленке, изогнутой концентрически вокруг цилиндрика, спрессованного из порошка кристалла, появляются спектральные линии в виде линии пересечения конических поверхностей, определенных дифрагированными рентгеновскими лучами, и цилиндрической поверхности пленки. Спектральные линии конических поверхностей с малым углом представляют собой окружности, а при угле 2ф = 90' прямые. Схема метода показана на рис. 12.3. Пучок рентгеновских лучей, проходящий через диафрагмы, падает на цилиндрик, спрессованный из порошка кристалла. На рентгеновской пленке, изогнутой на цилиндрической форме, возникают спектральные линии. 

Рис. 12.3. Метод Дебая - Шеррера 
РТ - рентгеновская трубка; О - свинцовая диафрагма; К - порошок кристалла; Пл - пленка

 С помощью вышеизложенных методов можно определить длину волны рентгеновских лучей при известной постоянной решетки кристалла и строение его. С другой стороны, при помощи рентгеновских лучей с известной длиной волны можно определить неизвестную структуру кристалла. Поэтому рентгеновская трубка аппаратов для структурного анализа является заменяемой. Аноды трубок изготовлены из разных металлов. Таким образом, можно использовать ту трубку, характеристическое излучение вещества которой необходимо для данного исследования. 

Рис. 12.4. Схема метода Дебая - Шеррера со счетчиком

 Из рентгеновских аппаратов для структурного анализа, применяемых на практике, рассматривается «TuR M60» производства Германии. 

 «TuR M60» состоит из двух частей: пульта управления и рабочего стола. На рабочем столе могут работать одновременно четыре камеры для исследования. Генераторное устройство помещено в рабочем столе. Анодное напряжение и анодный ток рентгеновской трубки регулируются в пределах 20 - 60 кв и 5 - 4 ма. Сменная рентгеновская трубка находится на середине стола. Ее накал стабилизирован. Применяется водяное охлаждение рентгеновской трубки. При недостаточном охлаждении аппарат автоматически отключается от сети и одновременно дает световой и звуковой сигналы. 

 Аппарат имеет и три испытательные камеры, построенные на основе различных принципов работы. 

1. Камера Дебая - Шеррера. Принцип ее работы показан на рис. 12.3. Камера содержит устройство для центрации препарата, синхронный электродвигатель и диафрагмы с диаметром 0,5, 0,8 и 1,2 мм. 

2. Камера вращающегося кристалла. Принцип ее работы показан на рис. 12.4. Она снабжена устройством для центрации препарата, гониометром для измерения двухгранных углов кристалла, синхронным электродвигателем и диафрагмами. 

3. Универсальная плоская камера для получения плоского снимка Дебая - Шеррера и диаграмм Лауэ. Принцип ее работы показан на рис. 12.1. В ней имеется синхронный электродвигатель, гониометр и диафрагмы. 

 В соответствии со способами и задачами измерения к рентгеновскому аппарату принадлежит трубка с хромовым, железным, кобальтовым, медным, молибденовым или вольфрамовым анодом. 

 В некоторых современных аппаратах вместо рентгеновской пленки, изогнутой на цилиндрическую форму, применяется датчик, например счетчик Гейгера - Мюллера, движущийся по той же траектории. Интенсивность рентгеновских лучей в этом случае регистрируется с помощью самописца (см. рис. 12.4). 

Рентгенодефектоскопия 

 Исследования макроскопической структуры технических материалов разделяются на рентгенодефектоскопию (просвечивание с применением просвечивающего экрана или усилителя яркости рентгеновского изображения) и на рентгенодефектографию (производство рентгеновских снимков). Там, где в материале имеются шлаковые, газовые или воздушные включения, обладающие меньшим коэффициентом поглощения рентгеновских лучей, ослабление проходящего излучения меньше, чем в других местах материала. 

 Выявляемость дефекта исследуемого материала зависит от площади фокусного пятна и от формы дефекта. Нерезкость изображения, возникающая вследствие конечной площади оптического фокуса, была рассмотрена нами ранее. Предел выявляемости, предписанный на практике, следующий. Дефекты стали толщиной менее 50 мм должны быть опознаны, если их размер больше 1,5% толщины материала, а при толщине больше 50 мм - 2% от толщины материала. Если дефект продолговатый или трещинообразный и его направление совпадает с направлением рентгеновских лучей, то его очень трудно обнаружить. Отождествление испытанного предмета и снимка необходимо для того, чтобы дефекты, обнаруженные на снимках, можно было отграничить на предмете. Для этой цели на испытываемый предмет кладут сигнальные цифры, изготовленные из свинца, которые появляются и на снимке. Проверка качества и правильности снимка осуществляется при помощи ряда проволочек. Если ряд проволочек с уменьшающимся диаметром укрепить на поверхности исследуемого предмета (рис. 12.5), то их изображение появляется на снимке, что позволяет оценить качество снимка. Рентгеновские аппараты, применяемые для дефектоскопии, могут быть полуволновыми, блоктрансформаторными и состоящими из отдельного генераторного устройства, пульта управления и рентгеновской трубки, собранными в основном по схеме Вийара. Их можно использовать также для просвечивания и получения рентгеновских снимков. При применении современных аппаратов просвечивание производится посредством усилителя яркости рентгеновского изображения (Мюллер). Таким образом очень быстро можно исследовать сварные швы небольших тел и труб. Испытание трубы показано на рис. 12.6. Испытатель наблюдает трубу из защитной кабины через усилитель яркости рентгеновского изображения. Он управляет движением трубы в горизонтальном и вертикальном направлениях. Место дефекта отмечается с помощью распылителя краски во время испытания. Максимальное анодное напряжение рентгеновской трубки аппарата приблизительно 300 кв. Технические материалы большой толщины испытываются у-излучением или сверхжесткими рентгеновскими лучами. Бетатрон фирмы «SRW» служит для испытания материалов. Он является передвижным. Мощность его 15 Мэв. Пленки, применяемые для рентгенодефектографии, упакованы в резиновые кассеты или в бумагу, их наклеивают на исследуемую поверхность. 

Рис. 12.6. Испытание трубы
1. труба; 2. усилитель яркости рентгеновского изображения; 3. рентгеновская трубка; 4. колонка для рентгеновской трубки; 5. защитная кабина

Аппараты для рентгенодефектоскопии 

 По конструкции эти аппараты могут быть полуволновыми, блоктрансформаторами и состоящими из самостоятельного генераторного устройства, источника рентгеновских лучей и пульта управления. Их генераторное устройство обычно собрано по схеме Вийара. 

 С точки зрения нагрузки на сеть они дают постоянную нагрузку как в режиме просвечивания, так и в режиме съемки. По конструкции они являются передвижными или состоят из легко передвигаемых частей. 

 Полуволновые рентгеновские аппараты, построенные в виде блоктрансформаторов. По анодному напряжению рентгеновской трубки они разделяются на три группы и используются: при напряжении до 140 кв для испытания сварных швов стальных пластин толщиной 20 - 30 мм, до 200 кв для испытания сварных швов и небольших отливок толщиной 50 - 60 мм, до 300 кв для испытания материалов толщиной 80 - 90 мм. Наиболее известные типы этих аппаратов: 

 «Liliput 120» (Медикор). Он состоит из трех частей: коробки переключателей, генераторного устройства с рентгеновской трубкой, выполненного в виде блоктрансформатора, и штатива. Его главные технические характеристики: анодное напряжение рентгеновской трубки регулируется в пределах 50 - 120 кв, анодный ток трубки 2 - 6 ма. Разновидностью его является «Liliput 200» (на 200 кв анодного напряжения).

 «Macrotank B» (Мюллер) состоит также из трех частей. Его главные технические характеристики: анодное напряжение рентгеновской трубки 30 - 100 кв, анодный ток трубки максимально 4 ма. 

 «Macrotank K» (Мюллер). Анодное напряжение рентгеновской трубки 35 - 140 кв, максимальный анодный ток трубки 5 ма. Его разновидностью является «Macrotank L» (Мюллер) с анодным напряжением трубки 200 кв. 

Рис. 12.7. «Stabil 250» (Медикор) 

 «Stabil 250» (Медикор) является блоктрансформатором с отдельным охлаждающим блоком. Конструкция охлаждающего блока подобна конструкции системы охлаждения аппаратов для глубокой терапии. Технические характеристики аппарата: анодное напряжение рентгеновской трубки 85 - 250 кв, анодный ток трубки 3 - 30 ма (при 250 кв длительно 15 ма). «Stabil 250» показан на рис. 12.7. Он состоит из трех частей: пульта управления, блоктрансформатора, передвигаемого на колесах, и охлаждающего блока. Вентиль, включенный в первичную цепь, служит для защиты рентгеновской трубки. 

 «Mobil М2» и «Mobil МЗ» (Медикор) являются полуволновыми рентгеновскими аппаратами с предельной мощностью 250 кв и 15 ма. Они состоят из нескольких отдельных блоков. Их генераторное устройство собрано по схеме Вийара. 

Рис. 72.8. Одно- и двухкенотронные схемы Вийара 
а) однокенотронная схема Вийара; б) однокенотронная схема Вийара с рентгеновской трубкой с заземленным анодом; в) двухкенотронная схема Вийара; г) двухкенотронная схема Вийара, помещенная в двух блоках 
РТ - рентгеновская трубка; К - кенотрон; С - конденсатор; Тр - трансформатор

 Схема Вийара очень часто применяется в рентгеновских аппаратах для дефектоскопии. Принцип работы с ними был рассмотрен нами при описании выпрямителей рентгеновских аппаратов. На практике применяются два варианта схемы Вийара: однокенотронная и двухкенотронная схемы (рис. 12.8). Двухкенотронную схему Вийара с целью обеспечения лучшей транспортабельности можно разделить на два генераторных устройства (см. рис. 12.8 г). Анодное напряжение рентгеновской трубки этих аппаратов составляет 250 - 300 кв, максимальный анодный ток трубки - 20 ма. Они состоят из пульта управления, одного или двух генераторных устройств, пары высоковольтных кабелей, кожуха рентгеновской трубки, трубки и охлаждающего устройства. Одно генераторное устройство создает напряжение 125 - 150 кв относительно земли. Генераторное устройство, подключенное к рентгеновской трубке со стороны катода, может работать самостоятельно, давая при этом напряжение 125 - 150 кв (см. рис. 12.8 б). 

 Однополюсная работа генераторного устройства, состоящего из двух блоков, имеет большое значение при использовании рентгеновской трубки с полым анодом.  

 Они применяются для исследования цилиндров двигателей внутреннего сгорания,труб, котлов и для получения панорамных снимков небольших участков технических материалов. Под панорамными снимками понимают снимки одного и того же предмета, выполненные так, что полый анод рентгеновской трубки находится в центре, а пленки помещены вокруг исследуемого предмета. Наиболее известны рентгеновские аппараты следующих типов: 

 «Mobil М 4Н» (Медикор). Он работает с однокенотронным генераторным устройством, собранным по схеме Вийара, и рентгеновской трубкой с полым анодом. Принципиальная схема его генераторного устройства изображена на рис. 12.8 б. Анодное напряжение рентгеновской трубки 40 - 125 кв, анодный ток 20 ма. 

 «Mobil M 3V» (Медикор). Его генераторное устройство собрано по двухкенотронной схеме Вийара, разделенной на два блока (рис. 12.8 г). Анодное напряжение рентгеновской трубки 250 кв, анодный ток 15 ма. Внешний вид аппарата показан на рис. 12.9.

Рис. 12.9. «Mobil M 3V» (Медикор)