聲發射技術在金屬材料檢測中的應用研究

賈斌

（內蒙古自治區特種設備檢驗研究院包頭分院，內蒙古 包頭 014030）

金屬材料在受力過程中容易產生變形、裂縫等問題，這嚴重地影響了材料的應用效果；在材料使用過程中，有必要進行材料動態、無損檢測。聲發射技術是金屬材料檢查中的常用手段，其能在節省時間和人力的基礎上，大大提升了金屬材料物理狀態監測的效率和精準程度。

1 聲發射技術原理特征

1.1 檢測原理

現代工業生產中金屬材料應用廣泛，在實際應用中，受多種作用力影響，金屬材料容易發生塑性變形或斷裂問題，并且在變形過程中，材料本身會產生一定的次聲頻、聲頻及超聲頻，這些聲頻本身具有較高的應變能，聲發射技術就是利用特定設備來檢測這種應變能，并以此確定金屬變形狀況的一種技術；具體檢測過程中，聲發射檢測技術檢測的內容是電信號，其能在分辨電信號頻率、聲段特征的基礎上，實現材料、結構內部的動態化、無損化檢測。要注意的是，若金屬材料保持靜止狀態，則無法進行聲發射檢測，而當金屬材料正處于塑性變形會斷裂過程時，基于該技術能實現金屬材料缺陷嚴重性的準確檢測。

1.2 檢測特征

聲發射技術在社會工業生產中應用廣泛，其能在確定聲發射源部位的基礎上，實現發生源性質、時間與荷載的準確判斷。金屬缺陷檢測中，聲發射技術適用于動態缺陷檢測，檢測過程具有動態性、實時性的特征。同時，依托聲發射技術能實現時間、溫度、載荷等信息的全面檢測，在缺陷檢測中整體性較強。此外，從檢測結果來看，聲發射技術能在多種電子信號發聲器實現多種電子信號的快速化、靈敏化檢測，檢測結果精準性突出。現階段，聲發射技術在航天、鐵路、汽車、建筑等多個領域均得到了廣泛應用，有效地滿足了工業生產中金屬材料缺陷檢測的實際需要。

1.3 檢測儀器

金屬材料檢測中，聲發射技術儀器大致分為兩種形態，一是就單通道聲發射檢測儀器，該設備其不僅包含換能器、前置放大器模塊，而且涉及衰減器、數模轉換器等單元。二是多通道聲發射源定位儀器，此類儀器不僅包含單通道聲發射檢測儀器的諸多單元，而且新增了數字測定系統、數據處理系統。此外，外圍現實系統也是多通道聲發射源定位儀器的重要組織組成部分。在聲發射設備儀行業之初，應在GB/T18182-2000標準的指導下，進行設備精準程度的系統控制（見表1）。

表1 聲發射技術儀器精度控制

2 在金屬材料檢測中聲發射技術的應用

2.1 塑性形變檢測

金屬材料在加工應用中會受到較大的應力作用，當受力不均勻或出現微觀屈服問題時，材料會出現塑性變形問題，此時，會產生一定的塑性變形聲發射現象，可通過聲發射技術進行塑性變形檢測。現階段，低合金鋼是最常見的一種待檢測材料，該材料在屈服極限會出現較大的形變，此時，其聲發射信號也會出現峰值。結合生產實際可知，金屬材料的塑性變形包含滑移、孿生兩種形態。其中滑移指在切應力作用下，材料部分分子會相對另一部分分子發生相對移位，這種移位往往沿著一定的滑移面和滑移方向產生。而孿生本質上是一種相對切變現象，該變化過程以孿生面為對稱面，沿著一定的孿生方向發生。研究表明，金屬材料在滑移時所需要消耗的能量較少，因此，在發生變形情況時需優先考慮，但是，材料因相互纏結無法靠滑移實現變形問題時，孿生變形現象會隨之產生。

聲發射技術在金屬材料塑性變形檢測中應用廣泛，其中對金屬材料滑移現象進行檢測時，其檢測信號具有連續性的特征，與之相對的是，孿生信號具有突發性的特征。工業生產中，金屬材料會隨著加工工藝的應用而硬化，此時，材料的位錯密度會有所上升，受此影響，材料位錯可移動性、聲發射動態變化均會減少。同時，由于金屬材料的塑性變形本身具有不可逆的特征，因此認為其聲發射過程同樣具有不可逆性。此外，凱瑟效應對于材料塑性變形檢測具有深刻影響，在實際檢測中，需重視凱瑟效應的系統把控，值得注意的是，為進一步提升聲發射技術應用水平，提升金屬材料塑性變形檢測效率和精準程度，在檢測技術應用階段，除金屬材料性質外，還應注重材料分子組成結構的有效分析，此外，需將應力加載條件、構件幾何形態納入考慮范圍，提升檢測技術應用的實際效益。

2.2 斷裂與裂紋檢測

當金屬材料產生裂紋或斷裂問題時，材料構件的性能會受到較大影響，這在一定程度上會降低構件的使用性能和使用安全性。新時期，在聲檢測技術下，可對金屬材料裂紋、斷裂等問題進行實時化、動態化的檢測；并且相比其他檢測手段，該技術具有靈敏性高、無損性強的特點。工業生產中，多種因素會引起金屬材料斷裂問題，并且在不同環境下，金屬斷裂所產生的聲發射信號也存在較大差異。其中對于高強度鋼金屬材料而言，當材料荷載超出設計標準時，會出現斷裂問題，并且在材料裂紋的尖端會形成塑性區，該塑性區形成過程中會產生一定的聲信號，隨著裂紋的擴大，材料的振幅會隨之變大，同時，聲發射動態變化也會逐漸增強。金屬材料為超高強度鋼時，即便材料荷載超標，到斷裂前其裂紋擴展量也相對較小，這在一定程度上使得聲發射的活動性降低，在材料斷裂的瞬間，利用聲發射技術能實現瞬時應變能信號的準確檢測。此外，當高斷裂韌性金屬材料受到較大作用力變形時，材料斷裂多以微孔聚合的形式展現出來，此時，斷裂尖端的塑性區、裂紋穩態擴展會產生聲發射現象，借助聲發射技術可實現這種變化的有效檢測。

3 金屬檢測中提升聲發射技術應用水平的措施

3.1 聲發射技術應用問題

結合實際應用情況可知，聲發射技術在實際應用中上存在諸多問題。一方面，在金屬制造過程中，開展聲發射檢測工作需考慮機械裝置的應用特點，但是，有部分檢測人員對機械制造機理、裝置應用特征的研究不夠深入，造成聲發射檢測技術的應用不夠全面問題。另一方面，壓力容器是現代工業生產中較為常見的一種設備，在對此類設備檢測中，一些聲發射技術儀器對壓力容器形態及體積等要素的識別不到位，這在一定程度上降低了檢測結構的精準性。此外，金屬部件因荷載產生塑像變形是一個由徐變到漸變的過程，即在初期階段，材料不會出現裂縫或斷裂問題，但其材料已經因疲勞而損傷，聲發射技術在此類疲勞損傷問題檢測中存在一定缺陷，整體檢出率不夠，難以為金屬設備的疲勞控制提供參考。

3.2 聲發射技術應用措施

新時期，聲發射技術在金屬檢測中的應用不斷深入。要進一步提升聲發射技術應用水平，在實際應用中，還應考慮以下要點：（1）在聲發射技術應用之初，應深化對金屬部件配置情況的調查，準確掌握金屬材料形態、微觀結構、制造機理、應用特征等信息，這樣能有效提升發射技術在機械制造檢測領域的應用的全面性。（2）現代工業生產中，壓力容器應用廣泛，應深化聲發射技術在壓力容器檢測中的應用，在準確掌握壓力容器體積、形狀的基礎上，實現壓力容器壓力布置及材料缺陷問題的有效檢測。（3）在金屬材料檢測中，應深化材料微觀結構的分析，積極研究聲發射技術在金屬部件疲勞性檢測中的應用，實現金屬部件疲勞損傷狀況的有效判斷，進而在部件損傷預測預報中，提升金屬材料的應用水平。

4 結語

聲發射技術對于金屬材料塑性變形及缺陷檢測具有深刻影響。新時期，人們只有充分認識聲發射技術的應用原理和特征，深化其在金屬材料塑性變形、裂紋和斷裂問題檢測中的應用，才能有效地提升聲發射技術應用水平，保證金屬材料的檢測應用質量，推動工業產業持續、穩定地發展。