防噴器材料在拉伸過程中的聲發(fā)射信號特性

戴 光，朱 磊，趙俊茹，姚鴻濱

（1.東北石油大學(xué) 聲發(fā)射檢測與結(jié)構(gòu)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(fā)射（AE）可以定義為物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象，聲發(fā)射作為一種非破壞評價技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。聲發(fā)射信號表示一個或多個聲發(fā)射事件經(jīng)傳感器接收并經(jīng)系統(tǒng)處理后以某種形式出現(xiàn)的電信號［1］。聲發(fā)射的源機制各式各樣，不同的源機制對應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對應(yīng)不同的聲發(fā)射信號。聲發(fā)射是正在擴展的材料缺陷（裂紋）表現(xiàn)出來的一種物理現(xiàn)象，沒有塑性變形和擴展，裂紋或材料的缺陷處于靜止?fàn)顟B(tài)，就沒有能量的重新分配，也就沒有聲發(fā)射［2－3］。大多數(shù)研究者用標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射參數(shù)（如峰幅值和能量等）區(qū)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(fā)射信號進行研究，運用聲發(fā)射參數(shù)分析方法對防噴器材料裂紋試件的聲發(fā)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(xiàn)出來的聲發(fā)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(yīng)力集中等現(xiàn)象的發(fā)生，試件經(jīng)特殊設(shè)計制成，在試件中間位置處預(yù)制裂紋，保證試件拉伸過程中在預(yù)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(fā)射試驗系統(tǒng)如圖2所示。采用美國PAC公司生產(chǎn)的PCI－2聲發(fā)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(zhǔn)確接收到聲發(fā)射信號。

圖2 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)定。校正步驟之后，確定聲發(fā)射儀器能在試件拉伸過程中采集到聲發(fā)射信號。

拉伸試驗在SANS100KN全數(shù)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(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

2 裂紋缺陷試件聲發(fā)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(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖3）對比分析可知，不同試件拉伸過程中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化過程，表現(xiàn)出相同的變化形式，不同試件在幾乎相同的時間段內(nèi)表現(xiàn)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(fā)射信號的數(shù)據(jù)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(fā)射歷程圖，分別是試件拉伸過程的聲發(fā)射信號幅值與時間分布圖、累積撞擊數(shù)與時間曲線圖，累積振鈴計數(shù)與時間曲線圖。對應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖的分析可以看出，ZG25CrNiMo材料拉伸損傷破壞發(fā)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(fā)射信號產(chǎn)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(qū)）。從圖中可以看出，此階段的聲發(fā)射信號數(shù)較少，這說明此階段材料并沒有產(chǎn)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(chǎn)生的機械噪聲。在這一階段也出現(xiàn)了部分幅值偏大的信號，可能是試件預(yù)制缺陷在拉伸過程中受外載而產(chǎn)生開裂的結(jié)果。

第二階段為裂紋微開裂階段（Ⅱ區(qū)）。此階段聲發(fā)射累積振鈴計數(shù)和累積撞擊計數(shù)增加現(xiàn)象明顯，聲發(fā)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(yù)制裂紋等損傷形式進一步開裂，在預(yù)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(qū)）。此階段的聲發(fā)射信號各參數(shù)增長幅度較大，這表明材料內(nèi)部因裂紋的宏觀開裂，導(dǎo)致預(yù)制裂紋發(fā)生失穩(wěn)性擴展，產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號。

第四階段為試件整體失效階段（試件斷裂瞬間，Ⅳ區(qū)）。試件中的晶格大量破裂損傷，聲發(fā)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(fā)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(fā)射信號，且材料的變化過程相對穩(wěn)定；在裂紋微開裂階段，只有較少的高幅值信號出現(xiàn)，材料本身沒有發(fā)生大的破壞；在裂紋宏觀開裂階段，大量高幅值信號的出現(xiàn)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(fā)生不可逆的破壞，直至試件斷裂。

3 聲發(fā)射信號參數(shù)及頻譜分析

由聲發(fā)射儀器采集的防噴器材料試件拉伸變形過程產(chǎn)生的聲發(fā)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(yù)制裂紋缺陷試件在拉伸過程中損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的頻帶分布較寬，主要集中在80～350kHz范圍內(nèi)，主要有3個頻帶。在裂紋尖端開裂階段時的信號頻率峰值??；在裂紋微開裂階段的材料變形過程較復(fù)雜；在裂紋宏觀開裂階段持續(xù)時間最長，主要是在此階段試件內(nèi)部損傷加劇，材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的破壞，而且信號的頻率峰值最高。

4 結(jié)論

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

（2）防噴器材料預(yù)制裂紋試件在受外力作用時，在預(yù)制裂紋尖端產(chǎn)生塑性變形；隨著試件進入裂紋微開裂階段，預(yù)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(fā)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(fēng)，耿榮生，等.聲發(fā)射信號的譜分析和相關(guān)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，F(xiàn)rederick 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(fā)權(quán)，張利紅，等.AET技術(shù)在油田防噴器檢測中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009，32（2）：83－84.