Q345R鋼拉伸損傷過程聲發射特征參數表征及定量評價

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(1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣州 510100;2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

Q345R鋼是一種專業用鋼，具有耐腐蝕性好、強度高、低溫性能好等特點，且更加適應焊接性能的要求，因此在壓力容器、壓力管道等特種設備制造中應用廣泛[1-2]。目前，對于該材料的無損檢測主要根據構件的結構特點、可達性和檢測要求等因素，采用超聲、射線、渦流、磁粉和滲透等常規檢測方法，但是這些方法都是靜態的主動檢測方法，一般需要根據標準對構件的固定部位進行定期檢測，而無法實現在役使用過程中全范圍的實時監測[3-4]。

聲發射檢測(AE)技術是一種動態的、被動的檢測技術，可通過分布在檢測對象上的傳感器，在使用過程中實時接收由損傷處產生的彈性波信號，從而實現對損傷聲源的定位和分析，進而判斷材料或結構整體的損傷程度，達到在結構件的在役使用過程中，實現全范圍實時監測的目的[5-6]。耿榮生等[7]對兩類三代機的全尺寸疲勞試驗實施了全程聲發射監測，對一些關鍵構件的疲勞裂紋實施了早期預報，為確定和延長飛機的機群壽命發揮了重要作用；沈功田[8]對金屬壓力容器和常壓金屬儲罐的聲發射監測及安全評價方法進行了深入探索，取得了較大的經濟效益；何存富等[9]通過對聲發射信號處理方法的研究，獲取了大型觀覽車低速滾動軸承的聲發射特性，證明了利用聲發射技術可以實現對該滾動軸承的健康監測。而在鋼材的聲發射檢測和特性分析上也有一些研究工作，但是主要都集中在損傷聲源定位、時域特征參數及頻譜分析上[10-14]，而在損傷過程中各個損傷階段的聲發射信號特征參數表征和定量研究上還沒有過多探討。

筆者主要通過拉伸力學試驗，監測Q345R鋼從裂紋萌生到斷裂的整個過程，研究材料在各個力學階段的聲發射信號特征參數與載荷歷程間的內在聯系，再通過聲發射信號特征參數表征材料的損傷程度，實現對材料損傷的定量評價。

1 聲發射檢測原理

聲發射實際上是材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象，也稱為應力波發射。聲發射檢測是根據材料本身缺陷釋放的彈性聲波信號來進行定位和定性檢測的。聲發射檢測原理示意如圖1所示，從聲發射源發射的彈性波最終傳播到材料的表面，引起可以用聲發射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉換為電信號，這些電信號被放大、處理和記錄，再根據觀察到的聲發射信號進行分析與推斷，以了解材料產生聲發射的機制[15-18]。

圖1 聲發射檢測原理示意

聲發射源信號可以基本分為突發型信號和連續型信號，突發型信號的波形圖和單個脈沖的波形圖相似；連續型聲發射信號是由許多密集的突發型信號構成的，由于單個信號間的間隔時間太短而無法分辨。用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。由于聲發射信號具有瞬態和多態的特點，且容易受到外界噪聲的干擾，因此在工程實踐中，通常將接收到的聲發射信號轉換為計數、幅值、能量等特征參數形式，然后再通過對特征參數的處理分析聲發射信號的特征[19-20]。采用特征參數分析法，依據特征參數的歷程分析，應用特征參數累積量的歸一化曲線進行Q345R鋼拉伸損傷過程的監測和定量評價研究。

2 試驗過程

2.1 試驗裝置

試驗裝置包括材料力學試驗系統以及聲發射監測系統兩部分。材料力學試驗機是由美國生產的INSTRON8801型液壓伺服多功能材料試驗系統，其載荷容量高達100 kN，可以滿足試驗要求。聲發射檢測系統為美國PAC公司生產的PCI-2型8通道測試系統。試驗采用的聲發射傳感器(也稱為探頭)型號為R15α，其中心頻率為150 kHz，頻帶寬度為100 kHz～400 kHz，各類金屬材料損傷發出的聲發射信號都在該頻帶范圍內。試驗中的前置放大器的增益可選擇20，40，60 dB，這些均能夠滿足試驗需要。

2.2 檢測試塊及傳感器布置

檢測試塊是根據標準GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》加工成的，標準拉伸試塊尺寸如圖2所示，試塊材料為Q345R鋼，共加工了4塊，試塊編號依次為LS1，LS2，LS3和LS4。為了減少夾具與試塊間的摩擦，在試塊兩端先用塑料薄膜緊貼包裹好，然后再用夾具固定。

圖2 標準拉伸試塊尺寸示意

根據試塊尺寸，只需布置兩個傳感器，采用線性定位方法即可，所以將探頭對稱性地放置在長度方向的中心線上，使兩探頭的間距為110 mm，并且各自離加載端端點分別為40 mm，實現對稱定位，具體布置方式如圖3所示。安裝傳感器時需要用耦合劑填充傳感器和試塊接觸面，并使用磁夾具固定。

圖3 聲發射傳感器布置示意

2.3 拉伸試驗過程

拉伸測試前先按照聲發射檢測程序進行軟件設置，然后分別進行試塊材料衰減測量、傳感器靈敏度測量、背景噪聲測量等。根據背景噪聲大小，設置門檻幅值為65 dB，采用線性時差法測定聲速為4 700 m·s-1。

以上準備工作全部完成后，開始進行拉伸損傷聲發射監測試驗。試驗時要求材料試驗機加載工作和聲發射采集工作同步開始，從而保證后期試驗數據的有效分析。試驗拉伸速度保持勻速1 mm·min-1，聲發射檢測儀采集材料損傷萌生、擴展、斷裂整個過程所發出的全部聲發射信號，拉伸試驗機可自動記錄在均勻拉伸速率下拉伸損傷過程的載荷、位移以及時間3個力學參數，并可繪出材料所對應的拉伸載荷與應變位移的拉伸曲線變化(見圖4)。

圖4 試塊拉伸載荷與位移曲線

由圖4可明顯發現，Q345R鋼具有典型的塑性材料特征，明顯存在塑性材料拉伸損傷過程的各個力學行為階段。利用拉伸位移量可以區分出彈性階段(0～0.689 mm)、屈服階段(0.689～4.324 mm)、強化階段(4.324～32.400 mm)、頸縮階段(32.400～40.580 mm)以及斷裂階段。根據各個力學階段采集的聲發射信號，并將這些聲發射信號轉換成特征參數，對比各個階段的變化情況，就可找出特征參數與各個力學階段的內在聯系。

3 特征參數歷程圖分析

聲發射信號特征參數歷程圖分析法是一種分析聲發射監測過程采集到的聲發射信號特征參數隨時間變化過程的方法，該分析方法可有效評價拉伸損傷全過程以及各個力學階段的聲發射源的活動情況。因為撞擊計數可以反映聲源產生信號的活動性，幅度和能量可以反映聲源信號的強度，所以主要提取了Q345R鋼在整個拉伸損傷全過程產生的撞擊計數、能量和幅值3個聲發射特征參數的歷程圖進行對比分析。此外，為了便于結合力學規律的分析，將拉伸載荷隨時間變化的歷程圖放在一起進行對比分析，Q345R鋼的AE特征參數歷程圖和載荷歷程圖的對比如圖5所示。

圖5 Q345R鋼的AE特征參數歷程圖和載荷歷程圖

由圖5可知，在拉伸過程中，Q345R鋼在彈性階段幾乎不產生聲發射信號，只監測到少量幾個低能量、低幅值的聲發射信號；屈服階段為整個拉伸損傷過程中主要產生聲發射信號的階段，且在屈服階段的開始端和結束端還將會有大量較高能量、高幅值(高達98 dB)的聲發射信號產生，并在整個過程中特別突出；在強化階段存在低能量(主要分布在200 μV·ms以下)、低幅值(主要在65～80 dB)的信號，且信號的數量在慢慢地減少為0；在頸縮階段聲發射特征參數基本都為0，即在該階段不產生聲發射信號；在斷裂階段有少量高能量(為整個過程最高能量處)、高幅值(高達98 dB)的聲發射信號產生。通過上述分析，說明聲發射信號特征參數在一定程度上可以表征出材料拉伸損傷過程的各個力學階段及其特征。通過對拉伸試驗監測出的聲發射信號的各個參數在損傷過程累積量隨時間變化的分析，有利于定量地評價被監測試件在拉伸損傷過程中，其各個力學行為階段的內部損傷量在整體過程中的占有量，同時又可以反映出其變化過程中各種規律性的信息。

4 特征參數累積量的定量評價

選取上升時間、計數、能量、持續時間以及幅值這5個主要特征參數的累積量隨時間的變化進行分析。通過拉伸損傷監測試驗對聲發射信號特征參數的采集和提取，對各個特征參數進行累積計算處理后，得到結果如圖6所示。

圖6 載荷歷程圖與5個特征參數累積量隨時間的變化過程曲線

因為每一個聲發射特征參數的定義和量綱是不一樣的，所以聲發射信號的各種特征參數的累積量變化表征過程之間也存在一定的差異。這里主要研究的是各個特征參數在拉伸損傷過程中的變化過程，為了更好地用一個圖形綜合對比分析各個特征參數以及加載載荷隨時間的變化過程，再次對各個特征參數累積量曲線進行歸一化數據處理，這樣可以有效地對比各個聲發射特征參數累積量變化規律之間的異同，并且可以明顯地分析出各個特征參數變化過程的占有量，使其實現量化對比分析。

此次使用的歸一化方法主要是考慮各特征參數中的每個時刻采集累積量相對總量的大小，所以采用式(1)進行數據歸一化。

(1)

式中：X,P分別為歸一化前后的特征參數累積量的數據；Xmax、Xmin為 AE特征參數累積量X的最大和最小值。

該歸一化處理方法不會改變每個累積分量對累積總量的比例，既不會改變每一個特征參數累積曲線本身變化過程的規律，又可通過每個特征參數的增量比例反映該階段信號成分量的特征，所以歸一化后更有利于用每個特征參數定量分析各個力學行為階段的聲發射情況。在Q345R鋼拉伸損傷過程中，聲發射監測信號的各特征參數累積量隨時間變化曲線歸一化處理后的結果如圖7所示。

圖7 載荷歷程圖與5個特征參數累積量歸一化曲線

由圖7可得，Q345R鋼在彈性階段的聲發射特征參數累積量變化不大，在該階段幾乎不產生聲發射信號。從屈服階段初始端開始，各聲發射特征參數累積量幾乎呈線性增加趨勢，并持續到屈服階段的結束端，聲發射信號約占所有接收到的聲發射信號總量的70%，這是由于存在的塑性變形產生了大量的可動位錯，產生了大量的聲發射信號。與此同時，在屈服階段的結束端點處出現了一條垂直時間軸的直線，表明在該處各參數有大量累積量的產生，僅在該處產生的增量高達20 %左右，且該點有效成為屈服階段進入強化階段的分界點，該點和拉伸力學曲線分界點基本重合。

在強化階段過程中，聲發射信號特征參數的累積增量還在不斷增加，但是增加的速率逐漸減小，最后達到平行直線，即不再產生增量，該階段聲發射信號的占有量在20%左右。在該階段產生了完全的塑性變形，但晶粒的可動位錯量越來越少，表面滑移線亦愈趨明顯，強化階段表征結束，各特征參數增量變為0時恰好又能表征進入頸縮階段。在頸縮階段，各特征參數累積量曲線幾乎一直處于平行，增長幾乎為0，聲發射信號占有量幾乎為0，即在該階段基本不產生聲發射信號。在斷裂階段，聲發射信號特征參數累積有突增現象，且能量參數在該階段的突增最明顯，能量在斷裂處的占有量高達20%以上，其他特征參數相對能量的變化較低，說明在斷裂階段產生的是高能量的聲發射信號。這是由于頸縮階段局部變形增加，頸縮區域內的材料滑移將累積到很高程度，這時位錯塞積及位錯群密度都會增加，以至在斷裂階段出現聲發射信號的突增，且成為高能量信號。

總體看來，Q345R鋼聲發射信號源在屈服階段和強化階段所占整個拉伸時間的比例(除能量參數外)都高達90%以上，同時Q345R鋼的聲發射特征參數累積曲線還可以完整表征出該材料在拉伸損傷過程中的彈性、屈服、強化等各個力學行為階段，較特征參數的歷程圖能更準確清晰地反映出各自變化特征和各個階段間的分界點，更好地評價出拉伸損傷的各個拉伸力學階段及其相應變化特征。

5 結語

通過建立拉伸測試系統和聲發射監測系統，對Q345R鋼試塊進行了拉伸損傷全過程的動態聲發射檢測研究。參照拉伸載荷圖反映出來的材料損傷的各個力學行為階段，采用聲發射特征參數歷程圖分析和累積量分析方法對損傷全過程進行表征和定量評價研究。試驗結果表明，兩種特征參數分析方法都能對損傷過程的各個階段進行表征，其中累積量分析方法能夠更準確清晰地反映出各個階段的轉折點，且能對材料的定量評價研究提供更準確的參考。

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