鋯金屬拉伸的聲發射特性

張忠政,鞏建鳴,梁 華

(1.南京工業大學,南京 210009;2.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院,南京 210002)

聲發射技術作為一種先進的無損檢測技術,在壓力容器檢測中得到了廣泛的應用[1]。在聲發射現場檢測過程中,了解和掌握設備材料損傷過程中的聲發射特性,對于分析判斷設備結構完整性和安全性至關重要。當前對于碳鋼和低合金鋼等常用壓力容器金屬損傷的聲發射特性研究較多[2],而對于近年來在核能、化工和航天等工業領域中得到重要應用的鋯材聲發射特性的研究很少。筆者在實驗室對鋯金屬進行了拉伸試驗過程中的聲發射測試研究,為聲發射技術的工程應用提供技術支持。

1 試樣和儀器

試驗采用純鋯Zr-3(R60702),根據GB/T 228-2002標準[3]制作母材和焊件兩種試樣。金屬拉伸試驗在Instron 5869試驗機上進行,應用引伸計和橫梁位移測量試樣應變。試驗過程中可記錄應力、應變、時間和載荷等試驗參數。試驗用聲發射儀為美國PAC公司生產的POCKET AE-2型2通道聲發射系統,傳感器型號為R15a/R6a型,中心頻率為150 k Hz,可同時采集記錄聲發射信號參數、波形數據,并可存儲、回放,還能用存儲卡導出數據到計算機中,然后用AEwin for PCI2等PAC軟件作進一步數據處理。

2 試驗過程

根據GB/T 228標準進行拉伸試驗,同時應用聲發射儀對試樣拉伸過程進行聲發射測試。聲發射源定位方式采用雙傳感器線性定位,兩傳感器沿試樣長度方向在中心對稱布置,兩傳感器中心相距70 mm。耦合劑采用真空脂,傳感器用塑料膠帶固定。聲發射儀門檻值設置為45dB,試驗過程中采集聲發射信號參數和波形,采樣頻率為5MHz,每個波形記錄1024個點,試驗過程中門檻值設置為45 dB。拉伸試驗采取控制加載點位移方式進行加載,加載速率為2mm/min。為減少拉伸試驗開始時試件與夾具摩擦產生的噪聲信號干擾聲發射信號采集,試驗開始前對試樣進行了少量的加載處理。

3 試驗結果和分析

3.1 試驗結果

金屬材料拉伸一般可分為彈性、屈服、強化和斷裂4個階段。試驗根據Instron拉伸儀時間記錄、應力-應變曲線及聲發射儀時間記錄對應關系,確定鋯材拉伸過程中的這4個時間段,分階段研究鋯材拉伸時間歷程中的聲發射信號特性。在試驗拉伸時間分段中,母材：彈性階段(0～54.7542s),屈服階段(54.7542～56.7542s),強化階段(58.2542～645.2542s),斷裂階段(645.2542～656.7542s);焊件：彈性階段(0～56.6142s),屈服階段(56.6142～62.1142s),強化階段(62.1142～335.6142s),斷裂階段(335.6142～367.6142s)。其中圖1為試樣應力-應變曲線,由圖可知鋯材拉伸過程的屈服階段不明顯。圖2為聲發射波形圖,信號為典型的突發性信號。圖3為試樣聲發射參數時間歷程圖,包括常用的撞擊、幅度、能量和計數四個參數在拉伸過程中隨時間變化的統計圖。

3.2 聲發射參數分析

3.2.1 撞擊-時間歷程圖

彈性階段初始沒有撞擊信號,隨后出現撞擊信號,撞擊數量伴隨時間快速增加。屈服階段前后信號撞擊數量急劇增加,撞擊數達到歷程圖中極大值。強化階段時間相對較長,信號撞擊數目初始較高,隨著時間增加逐漸減少,到斷裂前降至最低。斷裂階段撞擊信號突然急劇增加,但沒有屈服時撞擊數多,斷裂隨即發生,撞擊信號急劇下降。母材和焊件試樣撞擊時間歷程圖曲線變化趨勢相似,相比撞擊數極值,母材大于焊件,強化階段焊件撞擊數變化較母材平緩。

3.2.2 幅值-時間歷程圖

對于母材,在彈性階段和屈服前后階段,大量信號幅度低于65dB,主要集中在55dB之下,少量信號高于70dB;在強化階段,信號基本上也是以低幅度(＜60dB)為主,少量的信號幅度在60～80dB之間,個別信號幅度超過80dB;斷裂階段信號幅值突然增加,斷裂瞬間達到100dB。對于焊件,彈性階段、屈服階段和斷裂階段幅值與母材類似;在強化階段,與母材相比,除了低幅度信號為主外,高幅信號所占比例大大增加,大量信號分布在70～90dB之間,少量信號分布在90～100dB之間。

3.2.3 能量-時間歷程圖

拉伸過程中,在屈服階段能量出現極值;斷裂瞬間,能量快速釋放,出現極大值,其余階段能量較小。母材和焊件能量分布趨勢曲線類似,另外焊件強化階段有多個能量峰值體現。能量分布表明拉伸過程中在屈服階段和斷裂階段是試樣能量釋放階段。

3.2.4 計數-時間歷程圖

對于母材,在彈性階段信號逐漸增加;在屈服階段聲發射計數急劇增加,達到一個極值;強化階段逐漸減少,計數仍保持較高值;斷裂階段前期,計數值下降,后期計數信號急劇增加達到最高值,斷裂瞬間達到極大值。焊件彈性、塑性和斷裂階段計數變化與母材類似,不同的是整個強化階段過程聲發射計數都維持在與屈服階段相同的高水平。焊件強化階段信號計數的高水平表明了焊接件由于焊接原因導致試樣變脆,而脆性材料聲發射更加活躍。

鋯材拉伸過程中聲發射參數變化過程反映了材料的損傷過程。金屬材料拉伸過程中聲發射源是位錯的運動。彈性階段前期,位錯運動少,表現為幾乎沒有聲發射信號;隨著載荷增加,位錯被迅速發動,聲發射撞擊和計數等參數增加,但位錯運動比較順暢,聲發射能量、幅度參數較小。塑性變形時,位錯運動量達到最大,滑移變形、孿晶變形等現象發生[4],應力發生再分布,產生了頻繁的聲發射信號,計數、撞擊、能量和幅度達到峰值。強化階段時,隨著變形的增加,位錯滑移變得受到阻礙,發生位錯堵塞,需要更大載荷發動堵塞的位錯堆,聲發射信號也相對減少。斷裂階段,隨著載荷增加,大量位錯堆積被拉動,位錯群急劇運動,聲發射信號急劇增加,材料瞬間發生斷裂,釋放出巨大能量,聲發射信號參數達到極大值。與母材相比,焊件拉伸應變較小,很多能量在強化階段得到了釋放,因此焊件在強化階段產生了相對較多的聲發射信號。

比較參數描述材料的損傷過程,發現撞擊參數更準確地描述了拉伸過程中鋯材損傷過程。這種表征在設備聲發射檢測中的安全預警和損傷判斷具有重要工程應用價值。

3.3 波形分析

近20年來,聲發射技術除經典參數分析方法外,基于波形的信號處理方法得到了應用,如信號頻譜分析和小波分析等。筆者通過分析試樣拉伸過程中彈性、塑性、強化和斷裂四個階段的典型波形數據頻譜圖,研究試樣各個拉伸階段的頻率特征。數據處理應用Matalab軟件,典型頻譜圖見圖4。

由信號頻譜圖可知,鋯材拉伸過程中聲發射信號頻率主要分布在0～500 k Hz,其中132 k Hz處幅值最大,為鋯材拉伸過程損傷時聲發射信號的中心頻率。根據試驗結果,探頭頻率選在130 k Hz左右時檢測靈敏度最高。對比鋯材拉伸不同階段頻譜圖,發現信號頻率有增大現象,但規律性不明顯,無法準確表征材料損傷特性。

4 結論

(1)鋯金屬拉伸過程不同階段聲發射常用參數特征不同,其中通道撞擊數較好地表征了鋯材拉伸過程不同階段的損傷程度。

(2)聲發射信號頻譜分析表明,鋯金屬拉伸聲發射信號頻率在0～500 k Hz之間,中心頻率為132 k Hz左右。

(3)鋯金屬拉伸母材和焊件聲發射參數表征總體趨勢類似。與母材相比,焊件在強化階段釋放能量多,該階段焊件聲發射信號數目較多,信號幅值較高。

研究結果對鋯制設備現場聲發射檢測和監測時傳感器頻率選取、參數安全預警、信號分析和處理等方面具有重要參考意義。

圖4 試樣拉伸過程不同階段信號頻譜圖

[1]沈功田,李金海.壓力容器無損檢測——聲發射檢測技術[J].無損檢測,2004,26(9)：457-463.

[2]Ennaceur C,Laksimi A,Herve′C,et al.Monitoring crack growth in pressure vessel steels by the acoustic