利用放射性同位素检查和研究机器磨损的方法

本书为利用放射性同位素检查和研究机器磨损的方法类技术译著，原著为苏联П.Е.吉雅钦科教授等编著，熊大章译，科学出版社1956年6月第一版、1959年6月第一次印刷，开本850×1168 1/32，印张3 1/8，字数79,000，定价0.46元，书号0439。内容提要说明，本书前三章简要叙述利用放射性同位素法检查和研究机件磨损的意义、测量放射性的仪器的使用知识以及如何选择放射性同位素；第四章比较详细地介绍几种使摩擦机件获得放射性的方法；第五、六两章叙述利用放射性同位素评定摩擦机件的磨损的各种方法，包括同时测定几个机件的磨损的方法，并列举了一些实验结果；第七章叙述操作放射性同位素的实验室的保安技术和设备；最后一章指出应用放射性同位素对机器磨损作斗争的今后任务。目录显示全书八章：第一章放射性同位素法对于研究和检查机件磨损的意义；第二章测量放射性的设备的使用；第三章放射性同位素的选择；第四章使摩擦机件活性化的方法，包括用电解法将放射性同位素覆盖于机件表面、在浇铸机件时引入放射性同位素、用嵌入法引入放射性同位素、照射法及扩散法；第五章利用放射性同位素评定摩擦机件的磨损的方法，包括临界磨损的自动信号装置、磨损过程的定性研究、磨损过程的定量研究、利用放射性同位素决定机件磨损的实例、磨损强度的自动记录；第六章同时测量几个机件的磨损；第七章操作放射性同位素时的安全技术和实验室的装备，包括实验室的装备和实验室的工作；第八章利用放射性同位素对机器磨损作斗争的今后任务；书末附俄术术语对照表。正文第一章指出，和机器的磨损作斗争是一个重大的国民经济问题，只要略微减小机器的磨损，就能给国民经济积累大量资金；为了对磨损作斗争，必须研究磨损过程的特点，分析磨损曲线，即表示摩擦机件的工作时间和磨损速度的关系的曲线。传统研究机件磨损主要采用需要拆卸机器的方法，试件在磨损之前预先秤量或测量，经过若干时间磨损之后再拆卸机器进行秤量或测量；除秤量及测量外，还采用压痕法及表面轮廓投影法评定磨损。压痕法是在机件磨损之前用四面体金刚石角锥将其尖端压入摩擦机件表面，得到一个一定形状的压痕，压痕对角线是其深度的七倍大；磨损前后用显微镜测量压痕对角线，将二者之差除以七，便可得出金属磨损层厚度。切槽法与压痕法类似，小槽用金刚石切刀切成，根据磨损前后小槽长度之差计算金属磨损层厚度。表面轮廓投影法借助表面轮廓投影仪摄取表面轮廓图，在磨损前后从同一地方摄取两幅表面轮廓图并叠置，按二者之差决定金属磨损量。上述方法只有在停车及拆卸机器时才能采用，不免造成很大浪费、机器停歇，而且会由于拆卸机器而改变磨损性质。能够在机器工作时直接检查某一机件或同时检查几个机件磨损过程的方法更有价值，这些方法是：决定滑油中的铁量的方法、金属丝电阻变形体的方法以及放射性同位素或标记（示踪）原子的方法。决定滑油中的铁量法已订有标准，磨损产物以悬浮状态存在于滑油中，定期取样并用化学方法决定其中铁量，如果知道油路中循环油量，就可以计算出机件金属的磨损重量；缺点是不能决定各个机件的磨损，因为用过的滑油中存在所有摩擦机件的磨损产物，而且分析需要很多时间。金属丝电阻变形体法在MⅡ摩擦试验机上评定试件磨损，利用弹性板上黏附金属丝电阻变形体，与检流计相连，按指针偏转测量弹性板变形，从而得到试件相互靠近的大小或总磨损；缺点是应用可能性有限，不能分别测量每一试件的磨损。标记原子法利用放射性同位素在衰变过程中以α、β荷电粒子和γ电磁射线形式放射能量，用盖革计数管觉察放射性辐射，把电信号传送到无线电技术设备并计算脉冲数量，从而检查机件在工作过程中的磨损。用某种方法将放射性同位素引入磨损机件，机件工作时活性化磨损产物被滑油带走，在滑油流路中或油管近处装设计数管记录辐射，按记录脉冲数量判断磨损大小。利用标记原子法可以研究内燃机中活塞、活塞环、气缸、轴承、曲轴颈等机件磨损，泵浦及水力机械磨损，滚动轴承磨损，机床设备磨损以及切削刀具磨损等，并可据此选择不同摩擦条件下工作的材料、制订机器合理运转规程、预防事故性磨损，提高机件耐磨性。标记原子法主要优点是评定磨损灵敏度高达10^-8克以上，不必拆卸机器，在机器运转过程中能同时测量几个机件的磨损，从而查明不同因素对磨损的影响。利用标记原子法可以为复杂重型机器、水力透平机等的临界磨损或事故性磨损自动信号机构创制各种信号系统：在离摩擦机件表面某一深度处安置放射性物质，当机件磨损到规定深度时，放射性物质也开始磨损，被滑油带走的磨损产物中出现放射性颗粒，被信号设备觉察出来。在摩擦过程中金属从一个摩擦表面转移到另一个摩擦表面，可利用特殊计数管及射线照相术查明；将放射性物质引导到一个摩擦表面，另一个摩擦表面保持非活性化，摩擦后将照相胶板或X光胶板加在非活性化表面上，可觉察转移金属痕迹；从与活性化表面摩擦过的表面上循序切下一些金属层，可决定摩擦过程中一种金属向另一种金属的扩散作用。第二章介绍测量放射性的设备，觉察和测量放射性主要利用介质受辐射时发生电离作用为基础的方法，记录β及γ辐射利用与特殊辐射度量设备相联的盖革计数管；图4为测量β辐射的铝计数管，图5为测量γ辐射的玻璃计数管；辐射度量设备包括入口、重数器IIC-64、电机计数器（数码机）、高压整流器BC3-2500；入口用于初次放大从计数管来的脉冲，重数器使脉冲获得最后放大，电机计数器读取脉冲数，高压稳定器产生盖革计数管电极间所需位差；操作时先决定计数管工作特性，将计数管放在铅块上减弱“底”，放置小放射源，接通高压整流器和重数器，缓缓提高电压直到数码机开始计算脉冲，得到计数起点；再决定计数管“坪”，将电压比计数起点加高25～50伏，选择重数倍数，使机械计数器计数不超过5～8脉冲/秒，然后在5～10分钟内计算脉冲数，结果乘以重数倍数，加上上方氖气灯泡指示的脉冲数，除以计算时间分钟数，即得每分钟脉冲数；计数管坪宽可达150伏，工作电压应在坪中央，电压超过坪限会引起脉冲数急剧增大并迅速损坏计数管。决定计数管特性后，再决定由宇宙线辐射及室内可能存在的放射性沾染构成的“底”，计数前后都要决定“底”，每一工作日1～2次。测量活性度时只有一部分辐射能射中计数管，与实验几何条件、计数管构造、计数管与活性化磨损产物的距离以及辐射被计数管壁和油管壁吸收有关，所以计数管及油管几何位置在实验期中应恒定。活性度不高时若只用一个计数管测量滑油样品，计数效率不足，往往不能得出活性化机件磨损过程的明确情景；可采用把装有放射性介质的容器安放在一组计数管之间测量活性度的方法，制造专用卡盘，装置由三个到六个或更多AMM-6计数管组成的计数管组，计数管互相并联，按特性选定，沿圆周罗列，装置于入口上，把容积100厘米³盛有活性化滑油样品的薄壁圆筒状玻璃试管或具有活性化滑油的油管放置到计数管之间的空处；与普通一个计数管法相比计数效率增大若干倍，但因增加计数管个数时“底”增大，计数管组效率增加与计数管个数增加不成比例，最好五或六个计数管为一组。第三章介绍放射性同位素的选择，评定机器磨损采用人造放射性同位素，已知人造放射性同位素有上千种，几乎包括周期表中所有元素；用来研究磨损的人造放射性同位素只放射β及γ射线。表1列最常用几种同位素数据，包括半衰期、β及γ射线辐射能量及辐射特性；半衰期用天及年表示，辐射能量用兆电子伏表示。选择同位素应注意：放射性同位素的化学性质，决定将其引入被研究摩擦机件中去的可能性及方法；许多情况下最好采用摩擦机件组成元素之一的同位素，使其均匀分布到离表面足够深的部位，并且不与摩擦偶件金属形成不良化合物；半衰期T是重要特性，表示辐射量减少一半所需时间，最好使用半衰期不小于10天的同位素，因为利用寿命短的同位素在长实验中需要作衰变修正，当同位素供应组织得很好时，使用半衰期小于1天的放射性金属是合理的，以减少安全技术设施；放射性衰变指数定律可计算当时所有放射性原子数目：N=N0e^-λt，λ=0.693/T；选择同位素时辐射型式及能量有重要意义，如果同位素放出β辐射则须考虑管道壁中的吸收，若β射线被吸收则需选择具有足够能量的γ辐射体，例如S35半衰期88天，放出能量0.169兆电子伏的β辐射，将全部被油管壁吸收，所以不适于研究磨损；计算β辐射体所必需能量可用公式dδ=0.54E-0.16，δ为吸收体厚度厘米，d为吸收体材料密度，E为辐射体能量兆电子伏；例如研究生铁或青铜磨损使用放射性磷P32，最大β辐射能量1.7兆电子伏，需查明能否被厚度0.25毫米铜层（油管厚度）及厚度1毫米玻璃层（计数管壁厚度）阻隔，利用公式取玻璃密度2.5克/厘米³及铜密度8.9克/厘米³，得到能量大于1.2兆电子伏的电子能射在计数管上，所以放射性磷可用来记录磨损产物；记录β射线用铝制壁厚0.15毫米的计数管。对于能放出易穿透γ辐射的同位素，管道壁中吸收不太要紧，但应用实验法决定并予以考虑；许多同位素具有混合β及γ辐射，应偏重具有β辐射的同位素，它可容易被薄滤过吸收器吸收。选择放射性同位素后，应解决引入研究对象中去的放射性物质量的问题，放射性物质量应根据对许多因素仔细分析结果选定，这些因素包括决定磨损产物份量的因素、决定放射性制剂在引入或覆盖于摩擦表面过程里耗损的因素、决定辐射通过物体时吸收耗损的因素以及决定计数设备所记录辐射分量的因素；实验人员应从预先假定好的在一定时间内形成磨损产物的最小份量所应记录到的脉冲数出发。如果在放置计数管于滑油流路中的实验时间内，由计数管所记录到的磨损产物的最小剂量辐射强度至少超过宇宙线“底”一倍，并且没有发生意外情况，实验结果可认为可靠；但放射性物质量也不准用得太多，因为浓度太大使实验人员要花费许多心机并采取措施对待保安问题，使实验大为复杂化。活性度计算：用N表示已知辐射强度，小于此辐射强度时计数设备不能指示出来；M表示覆盖的参加磨损过程的活性化层质量；m表示一定时间内形成的磨损产物质量；假设磨损产物均匀分布于循环在油路系统中的滑油总体积V中，滑油总体积中一小部分作用在计数器上，这部分滑油体积为v0；起始活性度X公式为X=NM V/(60 v m ε ω pγβ α)，其中α=3.7×10^7，是活性度1毫居里放射性物质每秒衰变数，X计算成其分数；ε为计数管有效系数；ω为计数管体形角；pγβ为γ辐射衰变量子数及β粒子数。举例观察具有抗磨金属活性化层厚度0.1毫米、直径60毫米、长40毫米的轴承磨损，活性化层体积0.75厘米³，金属比重8，则活性化层重量6克；设N=100脉冲/分，实验中觉察的最小磨损0.001克，滑油总体积10升，受计数管记录滑油体积0.1升，ε=0.003，ω=0.165，pγ=0.2，代入公式得X=272毫居里；这样为了在最小磨损时记录到给定脉冲数，必需把总活性度272毫居里的放射性制剂引入受活性化物体积中去。第四章介绍使摩擦机件活性化的方法，须依照把同位素引入被研究机件的方法决定采用什么形式的同位素，如化学纯元素、备用合金或化合物；现时研究磨损已试用并应用下列引入同位素方法：电镀放射性金属于机件摩擦表面；在熔炼及浇铸时将放射性同位素引入被研究机件材料中；嵌入磨损考查体；用照射法使机件活性化；扩散法；电火花加工法。上述诸法各有应用范围，选择引入同位素方法与研究课题有关，与为保证评定磨损可靠性所需辐射活性度有关，又与机件尺寸、形状及使用条件有关。如果在生产机件工艺过程里应用电镀，或者机件用化学纯元素制成，利用电镀（电解）引入放射性金属比较方便。把放射性金属引入尺寸不大的摩擦机件，最好在浇铸这些机件时实行，尤其当机件由有色金属合金制成时；此法不适用于尺寸大的机件，在制造这些机件时要经过许多机械加工及热处理操作，由于引入同位素量很大而使保安技术设施复杂化；在这种情况下最好在机件强烈摩擦部位做些沟槽，再用放射性金属浇铸到这些沟槽中。有时应用嵌入磨损考查体方法合理，机件较大表面磨损按照嵌装在这表面里的较小放射性嵌入体磨损判断；此法既应用于金属从整个摩擦表面均匀磨损下来的场合，又应用于局部磨损场合；但不适用于嵌入体所在部位需要承受高接触应力的机件（滚珠轴承滚珠、切削刀具等），此外嵌入体材料和制件母金属往往会产生电化学作用，装置嵌入体也会减弱机件强度。照射法主要用来使细小机件活性化；扩散法会使机件从表面向深处的放射性分布不均匀，在研究工作中必须特殊考虑；用电火花法施行摩擦机件表面强化时，可以应用活性化电极。第四章第1节用电解法将放射性同位素覆盖于机件表面，能保证在薄薄表面层内具有最高活性度，这样可以最高效率利用少量放射性物质；电解过程利用普通金属盐类溶液进行，其中加入相适应同位素盐类；如果放射性同位素不存在于需要加到电解液中去的那种化合物中，就要用化学方法把同位素引入必需化合物。现时已掌握把In114、Ag110、Zn65、Cr51及Sn183等放射性同位素沉积到机件表面上去的技术。应用同位素研究轴承磨损实践表明，借电解法用同位素将1厘米²表面覆盖到常用厚度时，同位素浓度在0.1～1毫居里范围内就够了，机件总活性度不超过100毫居里。本书内容系统，既有理论说明，又有实验方法和安全技术，可供机械制造、摩擦磨损、放射性同位素应用等领域的工程技术人员和研究人员参考。本次仅见前20页，后续内容待补。