防噴器材料在拉伸過程中的聲發射信號特性

戴 光，朱 磊，趙俊茹，姚鴻濱

（1.東北石油大學 聲發射檢測與結構完整性評價實驗室，大慶 163318；2.大慶鉆探鉆技一公司，大慶 163318）

聲發射（AE）可以定義為物體或材料內部迅速釋放能量而產生瞬態彈性波的一種物理現象，聲發射作為一種非破壞評價技術已廣泛應用于許多領域。聲發射信號表示一個或多個聲發射事件經傳感器接收并經系統處理后以某種形式出現的電信號［1］。聲發射的源機制各式各樣，不同的源機制對應不同的發射聲波，因而也對應不同的聲發射信號。聲發射是正在擴展的材料缺陷（裂紋）表現出來的一種物理現象，沒有塑性變形和擴展，裂紋或材料的缺陷處于靜止狀態，就沒有能量的重新分配，也就沒有聲發射［2－3］。大多數研究者用標準聲發射參數（如峰幅值和能量等）區分不同的破裂機制［4］。

文章對防噴器材料裂紋試件在拉伸斷裂過程中的聲發射信號進行研究，運用聲發射參數分析方法對防噴器材料裂紋試件的聲發射歷程圖進行分析，得出防噴器材料在拉伸過程中的損傷類型以及各損傷階段所呈現出來的聲發射特性。

1 試驗研究

1.1 試件制作

拉伸試驗采用防噴器材料ZG25CrNiMo加工制作的試件，其形狀如圖1所示。為了防止噪聲干擾，減小應力集中等現象的發生，試件經特殊設計制成，在試件中間位置處預制裂紋，保證試件拉伸過程中在預制裂紋處斷裂。試件直徑為φ10mm，裂紋深度L為1，2，3mm。

圖1 拉伸試件圖

1.2 試驗裝置

聲發射試驗系統如圖2所示。采用美國PAC公司生產的PCI－2聲發射檢測分析儀，WD寬帶傳感器、2／4／6前置放大器。將傳感器固定在試件兩端，真空脂作為耦合劑，保證傳感器和試件接觸部分充分耦合，能夠準確接收到聲發射信號。

圖2 聲發射數據采集系統

1.3 試驗過程

在拉伸試驗之前，用0.5HB鉛芯，伸長2.5mm，與試件成30°夾角進行數據采集系統的標定。校正步驟之后，確定聲發射儀器能在試件拉伸過程中采集到聲發射信號。

拉伸試驗在SANS100KN全數字化微機控制電子萬能試驗機上進行，試件的拉伸速度為0.7mm／min。拉伸直至試件斷裂，同時記錄拉伸過程中產生的聲發射信號。

2 裂紋缺陷試件聲發射信號分析

通過對直徑φ10mm，裂紋深度為1，2，3mm試件的拉伸過程的應力－應變曲線（圖3）對比分析可知，不同試件拉伸過程中的應力－應變曲線變化過程，表現出相同的變化形式，不同試件在幾乎相同的時間段內表現出相同的趨勢，只在拉伸過程中的試件斷裂時間上存在差別。文章以直徑φ10mm，深度為2mm缺陷試件進行聲發射信號的數據分析。

圖4～6為防噴器材料ZG25CrNiMo裂紋缺陷試件拉伸損傷過程中的聲發射歷程圖，分別是試件拉伸過程的聲發射信號幅值與時間分布圖、累積撞擊數與時間曲線圖，累積振鈴計數與時間曲線圖。對應力－應變曲線圖的分析可以看出，ZG25CrNiMo材料拉伸損傷破壞發展過程基本上分為4個階段。在整個試件拉伸破壞過程中，聲發射信號產生的幅值基本分布在40～65dB。

第一階段為裂紋尖端開裂階段（Ⅰ區）。從圖中可以看出，此階段的聲發射信號數較少，這說明此階段材料并沒有產生明顯破壞，少量的低能量信號來自于試件與兩端夾具在加載過程中摩擦所產生的機械噪聲。在這一階段也出現了部分幅值偏大的信號，可能是試件預制缺陷在拉伸過程中受外載而產生開裂的結果。

第二階段為裂紋微開裂階段（Ⅱ區）。此階段聲發射累積振鈴計數和累積撞擊計數增加現象明顯，聲發射信號的幅值也有所增加，材料損傷開始加劇。此階段的損傷主要來自于第一階段預制裂紋等損傷形式進一步開裂，在預制裂紋尖端處形成較多的聲信號。

第三階段為裂紋宏觀開裂階段（到材料整體失效前，Ⅲ區）。此階段的聲發射信號各參數增長幅度較大，這表明材料內部因裂紋的宏觀開裂，導致預制裂紋發生失穩性擴展，產生大量聲發射信號。

第四階段為試件整體失效階段（試件斷裂瞬間，Ⅳ區）。試件中的晶格大量破裂損傷，聲發射信號的幅值有明顯的增加，此時試件整體處于失效階段，但是聲發射信號較少，能量較低。

通過對不同損傷階段的比較可知，在裂紋尖端開裂階段有少量的聲發射信號，且材料的變化過程相對穩定；在裂紋微開裂階段，只有較少的高幅值信號出現，材料本身沒有發生大的破壞；在裂紋宏觀開裂階段，大量高幅值信號的出現表明試件材料在此階段的破壞程度最重；在失效階段，防噴器材料發生不可逆的破壞，直至試件斷裂。

3 聲發射信號參數及頻譜分析

由聲發射儀器采集的防噴器材料試件拉伸變形過程產生的聲發射信號，對采集到的信號進行小波去噪，對不同階段的典型信號進行研究。

圖7～9給出直徑為10mm，缺陷深度為2mm的試件不同拉伸階段的波形圖以及頻譜圖，通過對不同階段的波形圖和頻譜圖分析可知：防噴器材料ZG25CrNiMo預制裂紋缺陷試件在拉伸過程中損傷產生的聲發射信號的頻帶分布較寬，主要集中在80～350kHz范圍內，主要有3個頻帶。在裂紋尖端開裂階段時的信號頻率峰值小；在裂紋微開裂階段的材料變形過程較復雜；在裂紋宏觀開裂階段持續時間最長，主要是在此階段試件內部損傷加劇，材料內部產生大量的破壞，而且信號的頻率峰值最高。

4 結論

（1）通過試驗，運用聲發射參數分析法對防噴器材料預制裂紋試件的聲發射歷程圖進行分析，得出在拉伸過程中的各階段所呈現出的特性。

（2）防噴器材料預制裂紋試件在受外力作用時，在預制裂紋尖端產生塑性變形；隨著試件進入裂紋微開裂階段，預制裂紋的微擴展變成宏觀擴展直至試件整體失效斷裂。

（3）不同階段聲發射信號頻譜的頻帶寬度存在較大不同，且不同階段的頻譜峰值差別較大。

［1］陳玉華，劉時風，耿榮生，等.聲發射信號的譜分析和相關分析［J］.無損檢測，2002，24（9）：395－399.

［2］Dai guang，Li Wei，Long FeiFei.An acoustic emission method for the in service detection of corrosion in vertical storage tanks［J］.Materials Evaluation，2002，60（8）：976－978.

［3］Amilcar Q，Basir S，Frederick J，et al.Acoustic emission based tension characteristics of sandwich composites［J］.Composites Part B：Engineering，2004，355（1）：63－571.

［4］鄧勇剛，林發權，張利紅，等.AET技術在油田防噴器檢測中的應用［J］.鉆采工藝，2009，32（2）：83－84.