劉 婷，吳燕瑞，馮 嫦

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528437）

0 引言

作為一種新型的無損監(jiān)測方法，聲發(fā)射檢測對被檢測構(gòu)件幾何形狀不敏感、對被檢測件接近要求不高，相對于傳統(tǒng)無損檢測方法，具有可實(shí)時(shí)監(jiān)測、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢[1-2]。

劉功祥[3]等通過聲發(fā)射檢驗(yàn)仍在使用的超出設(shè)計(jì)壽命的球罐的聲發(fā)射源部位，分析其性質(zhì)，評定其嚴(yán)重性最終達(dá)到排除安全隱患的目的；劉延雷[4]等通過對斜Y形坡口SPV490Q鋼焊接試件焊后延遲裂紋形成過程的聲發(fā)射撞擊信號和幅值進(jìn)行分析，得出該材料焊接延遲裂紋開裂敏感特性；閆風(fēng)影[5]等利用接收到的聲發(fā)射瞬時(shí)頻率對聲發(fā)射源傳播特性進(jìn)行了探索；耿開賀[6]等利用小波對聲發(fā)射信號進(jìn)行時(shí)頻域特征分析，已達(dá)到對早期齒輪聲發(fā)射信號識別的重要意義；黃振峰[7]等通過對累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)進(jìn)行混沌特征分析，對金屬疲勞損傷過程進(jìn)行了說明。

不難發(fā)現(xiàn)，在基于聲發(fā)射技術(shù)的無損檢測方面，主要是通過對聲發(fā)射的特征信號，如幅值、頻率、聲發(fā)射計(jì)數(shù)、撞擊等聲發(fā)射特征量直接進(jìn)行分析得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很少通過關(guān)聯(lián)物理量來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。而在金屬無損檢測的研究方面[8]，如何選取一個物理背景清楚并且具有合理理論基礎(chǔ)的損傷變量來對金屬進(jìn)行無損檢測才能對其進(jìn)行恰當(dāng)描述是一個關(guān)鍵問題。相對于其他用于定義損傷的衍生量，聲阻抗受主觀因素影響相對較小，估算相對容易、精度較高[9-10]。因此，本文通過采用聲發(fā)射與物理量相關(guān)聯(lián)的方法，將作為最基本、直觀的材料動態(tài)力學(xué)特性重要的物理量——聲阻抗作為無損檢測的度量。

本文擬提出通過引入損傷變量與聲發(fā)射計(jì)數(shù)的聯(lián)系來動態(tài)估算材料聲阻抗比值，從而得到聲阻抗比值與損傷過程及損傷趨勢變化的關(guān)系，并且利用聲發(fā)射對待測件要求不高以及實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)來達(dá)到在役條件下對任意金屬都能估算其聲阻抗的變化趨勢，從而達(dá)到基于聲發(fā)射信號，利用聲阻抗來描述金屬材料的損傷過程，判斷在役金屬損傷程度的目的。

1 估算在役金屬聲阻抗的方法的推導(dǎo)

在損傷力學(xué)中，通常假設(shè)完整材料的原始截面積為S0，發(fā)生損傷后，損傷導(dǎo)致的橫截面缺陷面積為SD，有效截面積為Sef，有Sef+SD=S0，則損傷變量D為：

根據(jù)式（1），當(dāng)SD=0時(shí)，D=0，材料未發(fā)生損傷；當(dāng)Sef=0時(shí)，D=1，材料完全損傷；當(dāng)D在（0，1）之間，材料產(chǎn)生了局部損傷[11]。

金解放等[12]參照波速定義損傷變量的關(guān)系式并研究分析得出電阻抗與損傷變量之間的關(guān)系：

其中，Z為材料無損時(shí)的聲阻抗值，Z～為材料受損后的聲阻抗值。

同時(shí)，研究表明[13]聲發(fā)射能夠反映材料內(nèi)部損傷，累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)可用來表征內(nèi)部損傷狀態(tài)，它們之間具有一致性。假設(shè)整個試件破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射計(jì)數(shù)為Nm，則單位面積產(chǎn)生的聲發(fā)射數(shù)如果忽略聲發(fā)射的大小，當(dāng)破壞面積為SD時(shí)，產(chǎn)生的聲發(fā)射計(jì)數(shù)為ND，則

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)在役荷載估算方法的原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由拉伸試驗(yàn)機(jī)和美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-2聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)組成。設(shè)定門檻值為40 dB，采樣頻率為1 MHz，采用nano30型壓電傳感器，響應(yīng)頻率范圍為125～750 kHz。實(shí)驗(yàn)用拉伸試樣是工程采用常用材料Q235制成的拉伸件，尺寸為210 mm×30 mm×1 mm，根據(jù)Q235鋼的基本聲學(xué)性能參數(shù)得到無損情況下材料的聲阻抗值約為4.53×106g/cm2，將其設(shè)為初始聲阻抗值。加載方式采用逐級循環(huán)加載，即以梯度力上升的方式進(jìn)行循環(huán)加卸載，采用軸向位移控制，恒定加載速率2 mm/min，恒定卸載速率3 mm/min，每次卸載力為100 N，具體加載方案如圖1所示。

圖1 逐級循環(huán)加載方式

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述推導(dǎo)，通過采集到的聲發(fā)射信號的累積計(jì)數(shù)，計(jì)算得到損傷變量D及其相應(yīng)的聲阻抗值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 損傷變量D-聲阻抗變化趨勢

從圖2可以看出，隨著加載進(jìn)程的進(jìn)行，損傷變量D逐漸增加，材料損傷程度增大。由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的是逐級循環(huán)加載，所以D的增加是有規(guī)律的：在試件受載過程中，損傷變量D隨試件受載的增大而增大，試件的損傷程度隨之增加；在加載停止、卸載階段以及下一次加載還未達(dá)到上一次加載的最大值的過程中，損傷變量D幾乎無變化，試件此時(shí)沒有收到更大的損傷；當(dāng)加載進(jìn)行到后期，損傷變量D劇烈增加直到達(dá)到最大值1，試件損傷程度非常大，表現(xiàn)為發(fā)生嚴(yán)重變形最終斷裂。

金屬材料的聲阻抗是體現(xiàn)其動力學(xué)特性的一個基本物理量，反映了聲發(fā)射信號在材料中穿透和反射的能力。隨著加載過程的進(jìn)行，聲阻抗值隨著損傷程度的增加減小，其變化過程與損傷變量D的變化過程相反。

分析認(rèn)為，隨著拉伸過程的進(jìn)行，材料損傷程度增大，空隙、裂紋在受拉伸力的作用下逐漸增加，材料致密性降低，由損傷而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號在材料中的穿透能力降低，導(dǎo)致聲阻抗值降低。另外，材料受力到達(dá)塑性變形階段后期，損傷程度急劇上升，聲阻抗減小的斜率大幅增大，材料損傷破裂方向趨于統(tǒng)一，斷裂處出現(xiàn)明顯裂紋，直至材料最終斷裂。

4 結(jié)論

本文對工業(yè)常用的Q235鋼進(jìn)行試驗(yàn)，檢測其整個在役過程中的聲發(fā)射信號，在役零部件的損傷程度進(jìn)行無損檢測，通過聯(lián)系聲阻抗及損傷變量的關(guān)系，對其損傷程度進(jìn)行了詳細(xì)的分析及說明。整個測量、估算過程能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控、修正，能夠簡單、方便地對在役零部件進(jìn)行聲發(fā)射無損檢測，并且能從基本物理量的角度對其進(jìn)行說明、分析，為未來聲發(fā)射更廣闊的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。