彭國平，張在東，胥凱暉，盧 超，李秋鋒,*，尤立華

(1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣州 510100；2.中國人民解放軍94829部隊，南昌 330201；3.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063)

0 引言

早在1950年，Kaiser通過大量試驗研究，分析金屬材料的聲發(fā)射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了材料在變形過程中聲發(fā)射存在不可逆效應，即Kaiser效應[1-2]。目前聲發(fā)射檢測技術(AE)經(jīng)過了數(shù)十年的探索和研究，已經(jīng)在航空、高速列車、建筑、電力、石油、材料測試等領域得到了廣泛應用，特別是近些年在電子技術和儀器科學方面的飛速發(fā)展，使得聲發(fā)射檢測技術逐漸成為一種材料特性研究及無損評估的有效手段，這無論對科學研究還是工程應用都具有極其重要的意義[3-6]。

聲發(fā)射檢測技術是一門綜合性檢測技術，作為一種動態(tài)無損檢測新技術，該技術是利用傳感器監(jiān)聽金屬結構內(nèi)部發(fā)出的聲波信號，而無需發(fā)射探測信號，對被檢件不會造成任何影響，并且通過聲波信號能夠發(fā)現(xiàn)金屬內(nèi)部早期裂紋的產(chǎn)生，及時針對被檢測物提出安全警報或?qū)ζ鋵嵭杏行аa救措施，這一特性在實際工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的意義[7-8]。相比于常規(guī)無損檢測技術，聲發(fā)射檢測技術具有靈敏度好、檢測效率高、檢測范圍大、環(huán)境適應度強和實時監(jiān)測等優(yōu)點[9]。現(xiàn)有研究主要集中在材料聲發(fā)射檢測定位上，通過采用不同的信號處理方式提高損傷定位精度[10-15]。

為了實現(xiàn)在役制冷系統(tǒng)壓力容器動態(tài)監(jiān)測，研究該壓力容器的主要材料Q345R的聲發(fā)射特性，通過聲發(fā)射特性分析其失效斷裂過程。在對于Q345R的聲發(fā)射特性研究主要是對材料拉伸和彎曲損傷的聲發(fā)射信號分析與特性評價方面[16-20]，而對疲勞損傷過程中，聲發(fā)射特性方面還沒有過多探討。由于在役壓力容器的損傷恰恰主要源于內(nèi)部增壓和減壓循環(huán)過程造成的疲勞損傷，所以材料的疲勞損傷過程的聲發(fā)射特性是本次研究的重點。

1 試驗測試

1.1 試驗裝置

試驗加載和檢測裝置由高頻疲勞試驗機和聲發(fā)射檢測儀兩部分組成。其中高頻疲勞試驗機為長春QBG-100型高頻疲勞試驗機，該設備最大交變負荷達到100 kN，可以完成對稱疲勞試驗、不對稱疲勞試驗、扭轉(zhuǎn)等多種疲勞試驗，能夠滿足本次試驗要求。聲發(fā)射檢測儀如圖1所示，為美國PAC公司生產(chǎn)的8通道PCI-2系統(tǒng)，能夠完成AE特征提取與波形實時采集、實時采集與信號處理、濾波及AE波形采集與實時處理。與聲發(fā)射檢測儀器配套使用的傳感器型號為R15SNAT68，其檢測中心頻率為150 kHz，頻帶為100～400 kHz，可接收各類金屬材料損傷發(fā)出的聲發(fā)射信號。

1.2 試樣制備和傳感器布置

將Q345R加工成3塊尺寸均為300 mm×35 mm×20 mm的試樣，同時為了對該材料的聲發(fā)射疲勞特性進行研究，在材料中間位置預置了寬0.5 mm、深1 mm的切槽缺陷，傳感器可以針對性接收該切槽區(qū)域的聲發(fā)射信號，避免一些干擾信號影響。具體試樣如圖2所示。

圖1 PCI-2系統(tǒng)聲發(fā)射檢測系統(tǒng)Fig.1 PCI-2 acoustic emission detection system

圖2 試樣尺寸和預置缺陷示意圖Fig.2 Sketch of test specimen size and preset grooving

由于試驗只是對疲勞損傷過程中的聲發(fā)射信號特征進行分析，且該試樣為條狀，在該試樣上采用線性定位方式即可找出切槽區(qū)域損傷擴展聲發(fā)射信號，并進一步提取和分析損傷全過程信號特性，因此，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)只需要2個通道進行信號采集。試驗前先將傳感器放置在寬35 mm的無割槽面兩端，為使傳感器固定良好，用膠帶將耦合好的傳感器綁好。

1.3 試驗測試

測試就是通過對Q345R鋼材進行循環(huán)載荷作用，同時采用聲發(fā)射檢測儀器對材料損傷過程中聲發(fā)射信號分別提取和綜合分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號的特性，并與損傷過程對照，實現(xiàn)對材料損傷過程的表征和評價。

試驗加載前先完成聲發(fā)射檢測系統(tǒng)自檢和衰減測量、聲速測定、試樣尺寸、傳感器位置設置、噪聲測試等前期測試準備工作，并將試樣固定在疲勞試驗機上，切槽開口向下放置好，如圖3所示。根據(jù)前期測試結果，設置門檻為50 dB，初始靜載荷為40 kN，動載荷為8 kN。

圖3 鋼材安裝及聲發(fā)射傳感器分布圖Fig.3 Steel installation and acoustic emission sensor distribution

前期工作完成后開始啟動疲勞試驗機對試樣進行加載，并同時開啟聲發(fā)射檢測儀器進行信號監(jiān)測，這樣可以保證材料損傷全過程與對應出現(xiàn)聲發(fā)射信號的時刻一致。在試樣加載過程中分析，動載荷基本保持不變，而由于試樣中損傷裂紋一直在擴展，使得受力截面積不斷縮小，所以施加的靜載荷逐漸下降，直至試樣幾乎完全斷裂，結果如圖4所示，此時試驗機自動停止加載，整個加載測試試驗持續(xù)約1 h。

圖4 試驗機停機后試樣損傷結果Fig.4 Specimen damage result after test machine closed

然后將切槽附近區(qū)域的信號逐一提取，按照信號發(fā)生的時間順序?qū)胗嬎銠C中，便于后期的測試信號分析。

2 測試結果分析

2.1 經(jīng)歷圖分析法

首先提取各聲發(fā)射信號中的6個主要特征參數(shù)，即能量、計數(shù)、幅值、上升時間、持續(xù)時間和事件，采用經(jīng)歷圖分析法將各特征參數(shù)按照時間順序?qū)Σ牧蠐p傷的整個過程進行分析，發(fā)現(xiàn)計數(shù)和能量的經(jīng)歷圖能夠更清晰地反映出材料損傷裂紋演變的2個轉(zhuǎn)折時刻，如圖5、圖6所示。2個轉(zhuǎn)折時刻分別出現(xiàn)在800 s和1 300 s。按照這2個轉(zhuǎn)折時刻，可將整個過程分為3個階段：裂紋萌生(0～800 s)、裂紋擴展(800～1 300 s)、斷裂(1 300～1 350 s)。

圖5 疲勞試驗計數(shù)與時間歷程圖Fig.5 Diagram of counting and time history of fatigue test

圖6 疲勞試驗能量與時間歷程圖Fig.6 Diagram of energy and time history of fatigue test

1)第1階段：萌生階段。開始對試樣循環(huán)加載時，試樣材料結構上完整，處于彈性階段，因此在該階段基本無聲發(fā)射信號發(fā)生。但由于預置了切槽，應力集中在該部位，隨著循環(huán)載荷次數(shù)增加，材料內(nèi)部微觀上產(chǎn)生了局部位錯和微小損傷，裂紋逐漸萌生，因此到后期(800 s前)出現(xiàn)一些聲發(fā)射信號，但是計數(shù)值較小，能量也較微弱，很難在圖中反映。

2)第2階段：擴展階段。裂紋萌生以后，持續(xù)的循環(huán)載荷加劇了材料內(nèi)部位錯，在800 s時，材料損傷積累到一定程度，宏觀裂紋開始出現(xiàn)，能量突然釋放，使得聲發(fā)射信號能量和計數(shù)值都突然增大。而后由于試樣被夾具固定，其變形加劇使得材料受力截面減小，反而造成加載的靜載荷逐漸降低，雖然材料中裂紋尺寸在不斷增加，但是增長速度較慢，導致聲發(fā)射信號能量和計數(shù)值不能產(chǎn)生累積迸發(fā)，所以在圖中幅值都相對較低。

3)第3階段：斷裂階段。循環(huán)載荷繼續(xù)加載到一定時間后，裂紋擴展到一定程度，當?shù)竭_1 300 s時，材料斷裂失效，此刻材料發(fā)出大量高能量聲發(fā)射信號。而后由于試樣發(fā)生斷裂，受力截面變形過大，高頻疲勞試驗機靜載荷下降到20 kN左右，此時試驗機停止加載，聲發(fā)射信號同時也迅速降低，此后不再出現(xiàn)聲發(fā)射信號。

2.2 關聯(lián)圖分析法

關聯(lián)圖分析法也是一種常用的分析方法，其是通過任意2個聲發(fā)射信號特征參數(shù)間的關聯(lián)二維坐標圖，對這2個特征參數(shù)間的相關性和聲發(fā)射源的特征進行分析。由于持續(xù)時間是反映聲發(fā)射信號能量的一個重要參數(shù)，也是體現(xiàn)聲發(fā)射源特性的一個重要指標，因此通常都將持續(xù)時間作為關聯(lián)圖特征參數(shù)之一。圖7～圖9分別表示能量-持續(xù)時間、上升時間-持續(xù)時間、計數(shù)-持續(xù)時間關聯(lián)圖。

圖7 能量-持續(xù)時間關聯(lián)圖Fig.7 Association graph of energy and duration

從圖7、圖9可看出，大量聲發(fā)射信號處于能量低、持續(xù)時間短、計數(shù)較少的狀態(tài)，這些都是裂紋萌生和擴展階段的聲發(fā)射信號特點。結合圖8發(fā)現(xiàn)，大量聲發(fā)射信號上升時間較短，持續(xù)時間短，這說明聲發(fā)射在裂紋萌生和擴展階段，聲發(fā)射信號還保持著一定的活躍性。從圖7、圖8還可發(fā)現(xiàn)，有少量聲發(fā)射信號具備高能量，持續(xù)時間長，上升時間長，結合圖5、圖6，說明此時試樣處于斷裂階段。

圖8 上升時間-持續(xù)時間關聯(lián)圖Fig.8 Association graph of rise-time and duration

圖9 計數(shù)-持續(xù)時間關聯(lián)圖Fig.9 Association graph of counting and duration

2.3 波形和頻譜特征分析

以上兩種方法都是根據(jù)聲發(fā)射信號特征參數(shù)進行特征分析的方法，可以發(fā)現(xiàn)材料損傷過程可以分為3個階段，以及各個特征參數(shù)間的關聯(lián)性。但是從理論上講，信號波形分析能夠給出更多所需的信息，因而，聲發(fā)射源特征最精確的表征方法是信號波形，因此對聲發(fā)射信號波形頻譜特征進行了分析。按照前面參數(shù)分析法的分析結果，對3個階段中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號分別進行提取，并計算出相應的頻譜圖，如圖10～圖12所示，然后對3個階段的波形和頻譜圖進行對比分析。

從信號波形圖10a、圖11a、圖12a中可以看出，裂紋萌生、擴展和斷裂階段的聲發(fā)射信號都不是典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號，而是有很多突發(fā)型聲發(fā)射信號疊加形成連續(xù)型聲發(fā)射信號，該裂紋始終處于活躍狀態(tài)。但是結合特征參數(shù)分析法，裂紋萌生階段能量較小，計數(shù)值少，所以在歷程圖中很難反映出來；而在裂紋擴展階段，除了800 s處的迸發(fā)，聲發(fā)射信號幅值有下降趨勢，這是由于裂紋擴展后，試驗機靜載荷逐漸降低，裂紋擴展緩慢，使得聲發(fā)射信號變?nèi)酰欢竭_斷裂階段，聲發(fā)射信號又出現(xiàn)一次迸發(fā)，而且幅值增大，但由于試驗機自動停機，這個階段時間較短。

圖10 萌生階段信號波形及頻譜圖Fig.10 Signal waveform and spectrum at the initial stage

圖11 擴展階段信號波形及頻譜圖Fig.11 Signal waveform and spectrum at the extended stage

圖10b、圖11b、圖12b反映出各個階段的信號頻譜也有一定差異。萌生階段信號頻率主要分布在70～180 kHz，在120 kHz附近有非常突出的峰值，說明該階段頻率主要集中在120 kHz附近；裂紋擴展階段的聲發(fā)射信號頻帶主要分布在70～190 kHz，與萌生階段相比較，信號頻帶變寬，高于125 kHz信號分量占大部分；而在斷裂階段，聲發(fā)射信號頻帶相對變窄，但是能量集中在125、145 kHz附近。

圖12 斷裂階段信號波形及頻譜圖Fig.12 Signal waveform and spectrum at the fracture stage

3 結論

1)通過對聲發(fā)射信號特征參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)整個損傷過程中的2個轉(zhuǎn)折點，可以把損傷過程分為3個階段：裂紋萌生、擴展和斷裂階段。斷裂階段聲發(fā)射信號數(shù)量和能量都是最高。

2)對3個階段的聲發(fā)射信號進行提取，并對3個階段的聲發(fā)射信號波形和頻譜特征進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)整個損傷過程的聲發(fā)射源都比較活躍，同時都有多個突發(fā)型聲發(fā)射信號出現(xiàn)。由于循環(huán)加載過程中，靜載荷不斷降低，使得信號幅值有下降趨勢。而整個過程信號頻譜會向高頻方向偏移，峰值頻率增加，裂紋擴展階段峰值頻率最多，裂紋萌生階段峰值頻率最少。3個階段的信號存在一定差異，可以為后期材料損傷的聲發(fā)射檢測與評價提供可靠參考依據(jù)。

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