基于聲發射信號的金屬材料損傷程度的實驗研究

劉 婷，吳燕瑞，馮 嫦

（中山火炬職業技術學院，廣東中山 528437）

0 引言

作為一種新型的無損監測方法，聲發射檢測對被檢測構件幾何形狀不敏感、對被檢測件接近要求不高，相對于傳統無損檢測方法，具有可實時監測、覆蓋范圍廣等優勢[1-2]。

劉功祥[3]等通過聲發射檢驗仍在使用的超出設計壽命的球罐的聲發射源部位，分析其性質，評定其嚴重性最終達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射撞擊信號和幅值進行分析，得出該材料焊接延遲裂紋開裂敏感特性；閆風影[5]等利用接收到的聲發射瞬時頻率對聲發射源傳播特性進行了探索；耿開賀[6]等利用小波對聲發射信號進行時頻域特征分析，已達到對早期齒輪聲發射信號識別的重要意義；黃振峰[7]等通過對累計聲發射計數進行混沌特征分析，對金屬疲勞損傷過程進行了說明。

不難發現，在基于聲發射技術的無損檢測方面，主要是通過對聲發射的特征信號，如幅值、頻率、聲發射計數、撞擊等聲發射特征量直接進行分析得到實驗結果，很少通過關聯物理量來進行實驗結果的分析。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的損傷變量來對金屬進行無損檢測才能對其進行恰當描述是一個關鍵問題。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，本文通過采用聲發射與物理量相關聯的方法，將作為最基本、直觀的材料動態力學特性重要的物理量——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射計數的聯系來動態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系，并且利用聲發射對待測件要求不高以及實時性等優點來達到在役條件下對任意金屬都能估算其聲阻抗的變化趨勢，從而達到基于聲發射信號，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

在損傷力學中，通常假設完整材料的原始截面積為S0，發生損傷后，損傷導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：

根據式（1），當SD=0時，D=0，材料未發生損傷；當Sef=0時，D=1，材料完全損傷；當D在（0，1）之間，材料產生了局部損傷[11]。

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

其中，Z為材料無損時的聲阻抗值，Z～為材料受損后的聲阻抗值。

同時，研究表明[13]聲發射能夠反映材料內部損傷，累積聲發射計數可用來表征內部損傷狀態，它們之間具有一致性。假設整個試件破壞產生的聲發射計數為Nm，則單位面積產生的聲發射數如果忽略聲發射的大小，當破壞面積為SD時，產生的聲發射計數為ND，則

2 實驗方案設計

根據在役荷載估算方法的原理，設計實驗如下：實驗系統由拉伸試驗機和美國物理聲學公司生產的PCI-2聲發射測試分析系統組成。設定門檻值為40 dB，采樣頻率為1 MHz，采用nano30型壓電傳感器，響應頻率范圍為125～750 kHz。實驗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Q235鋼的基本聲學性能參數得到無損情況下材料的聲阻抗值約為4.53×106g/cm2，將其設為初始聲阻抗值。加載方式采用逐級循環加載，即以梯度力上升的方式進行循環加卸載，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 逐級循環加載方式

3 實驗結果分析

根據上述推導，通過采集到的聲發射信號的累積計數，計算得到損傷變量D及其相應的聲阻抗值，實驗結果如圖2所示。

圖2 損傷變量D-聲阻抗變化趨勢

從圖2可以看出，隨著加載進程的進行，損傷變量D逐漸增加，材料損傷程度增大。由于實驗進行的是逐級循環加載，所以D的增加是有規律的：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，試件此時沒有收到更大的損傷；當加載進行到后期，損傷變量D劇烈增加直到達到最大值1，試件損傷程度非常大，表現為發生嚴重變形最終斷裂。

金屬材料的聲阻抗是體現其動力學特性的一個基本物理量，反映了聲發射信號在材料中穿透和反射的能力。隨著加載過程的進行，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。

分析認為，隨著拉伸過程的進行，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，由損傷而產生的聲發射信號在材料中的穿透能力降低，導致聲阻抗值降低。另外，材料受力到達塑性變形階段后期，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一，斷裂處出現明顯裂紋，直至材料最終斷裂。

4 結論

本文對工業常用的Q235鋼進行試驗，檢測其整個在役過程中的聲發射信號，在役零部件的損傷程度進行無損檢測，通過聯系聲阻抗及損傷變量的關系，對其損傷程度進行了詳細的分析及說明。整個測量、估算過程能夠實時監控、修正，能夠簡單、方便地對在役零部件進行聲發射無損檢測，并且能從基本物理量的角度對其進行說明、分析，為未來聲發射更廣闊的應用奠定了基礎。