高壓氣瓶材料拉伸過程聲發(fā)射信號特征分析

陳 敏，呂秋娟，秦忠寶，胡曉龍

(第二炮兵工程大學，陜西西安 710025)

高壓氣瓶材料拉伸過程聲發(fā)射信號特征分析

陳 敏，呂秋娟，秦忠寶，胡曉龍

(第二炮兵工程大學，陜西西安 710025)

為了解高壓氣瓶材料的拉伸斷裂特性，對高壓氣瓶材料的拉伸斷裂過程進行了聲發(fā)射檢測試驗，分析其在拉伸過程不同階段的聲發(fā)射信號特征，得到了材料的拉伸特性以及聲發(fā)射信號規(guī)律。分析結(jié)果表明，拉伸過程的聲發(fā)射信號與理論分析一致，能夠較好地反映材料內(nèi)部的損傷過程，為聲發(fā)射技術(shù)檢測該類高壓氣瓶提供了基礎數(shù)據(jù)。

拉伸試驗;聲發(fā)射;材料缺陷

聲發(fā)射(AE)是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機制。聲發(fā)射技術(shù)作為一種新型動態(tài)檢測技術(shù)已被廣泛應用于材料的無損檢測，即通過材料內(nèi)部變形和裂紋擴展而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號來判斷材料內(nèi)部缺陷。

對于重復加載的過程，聲發(fā)射具有兩種不同的效應，即凱塞效應和費利西蒂效應。大多數(shù)金屬材料，可觀察到明顯的凱塞效應。重復載荷到達原先所加最大載荷以前不發(fā)生明顯聲發(fā)射，這種聲發(fā)射不可逆性質(zhì)稱為凱塞效應。但是，重復加載前，如產(chǎn)生新裂紋或其他可逆聲發(fā)射機制，則凱塞效應會消失。材料重復加載時，重復載荷到達原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費利西蒂效應。一般纖維復合材料都具有費利西蒂效應［1］。

為了實現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)在高壓氣瓶檢測中的應用，首先需研究該種材料的聲發(fā)射特性。通過對該材料制成的標準試件進行拉伸試驗，利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測其拉伸試驗過程，以獲取材料損傷過程的聲發(fā)射特性。

1 試驗

1.1 試驗裝置及試樣

本試驗裝置主要包括材料拉伸試驗機、聲發(fā)射檢測設備等。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖

材料拉伸試驗機為WDW－100微機控制電子拉伸試驗機，最大試驗負荷100kN。試驗所用的聲發(fā)射設備是美國PAC公司的PAC－8型8通道聲發(fā)射儀，可以實時顯示出聲發(fā)射信號的波形和參數(shù)數(shù)據(jù)列表及各種類型的圖表。試驗時前置放大器門檻電壓值設為40dB，采樣頻率為1MHz。

試樣由高壓氣瓶直接軸向切取，按照國標加工，其材料為35CrMo，試件直徑為10mm。預制兩轉(zhuǎn)借耦合塊用于聲發(fā)射傳感器與試件的連接。

1.2 試驗過程

第一步，安裝試件。將試件安裝在材料試驗機上。

第二步，布置傳感器。利用特制的傳感器耦合塊將兩個聲發(fā)射傳感器夾在試件上，采用凡士林作為耦合劑。

第三步，連接聲發(fā)射儀器。連接儀器，并用鉛芯折斷模擬聲發(fā)射信號源，測試聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測定傳感器的幅度響應及線定位準確性。

第四步，設定試驗參數(shù)。接通材料試驗機電源后，測定試驗環(huán)境的噪聲，根據(jù)背景噪聲水平，設置試驗參數(shù)。

第五步，啟動材料試驗機，預加載荷1kN后暫停，然后同步啟動試驗機和聲發(fā)射儀，實現(xiàn)整個實驗系統(tǒng)的同步采集，按照預定加載速度加載(3mm/min)，直至試件被拉伸破壞。

1.3 轉(zhuǎn)接耦合塊對聲發(fā)射信號的影響

由于試驗采用標準圓柱形試件，在安裝聲發(fā)射傳感器時需要使用轉(zhuǎn)接耦合塊以保證傳感器與試件的緊密接觸。由于該類耦合塊沒有標準的零件可以使用，因此本試驗通過自制兩轉(zhuǎn)接耦合塊用于聲發(fā)射傳感器與試件的連接，該耦合塊的材料為45#鋼。首先研究該轉(zhuǎn)接耦合塊對聲發(fā)射信號的影響。

利用鉛筆芯斷裂來模擬聲發(fā)射信號已經(jīng)得到了廣泛的應用。將HB鉛筆芯在試件上進行折斷，分別利用聲發(fā)射傳感器對通過試件直接進行接收和通過轉(zhuǎn)接耦合塊進行接收的信號進行比較，來觀察其聲發(fā)射信號特征。

圖2 聲發(fā)射信號幅值

圖2所示為聲發(fā)射信號的幅值，通過對比兩種情況的聲發(fā)射信號圖可以發(fā)現(xiàn)，直接通過試件接收的信號幅值為67dB，通過轉(zhuǎn)接耦合塊接收的信號幅值為65dB，信號有稍微的衰減，兩者比較接近。圖3所示為聲發(fā)射信號的頻率，可以看出，直接通過試件接收的信號頻率與通過轉(zhuǎn)接耦合塊接收的信號頻率基本一致。

圖3 聲發(fā)射信號頻率

由此可知，轉(zhuǎn)接耦合塊可以保證傳感器與試件緊密連接，對聲發(fā)射信號影響也較弱。因此，可以用于圓柱形試件的聲發(fā)射研究。

2 試件拉伸過程聲發(fā)射特征及分析

圖4所示為拉伸過程的應力－時間關(guān)系圖，試件為中碳合金鋼，拉伸過程具有典型的4個階段:(1)彈性階段。發(fā)生彈性變形，在外力解除后，變形可完全消失。(2)屈服階段。表現(xiàn)為屈服特性，應變有明顯增加，應力不變或稍微下降，此階段有顯著的塑性變形。通過圖4中曲線可以發(fā)現(xiàn)該材料的屈服階段的持續(xù)時間較長。(3)強化階段。材料又恢復了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加拉力，且該材料在強化階段的應力比屈服階段的應力要明顯大許多，此階段試件的橫向尺寸明顯縮小。(4)斷裂階段。試件在某一局部范圍內(nèi)發(fā)生縮頸現(xiàn)象，由于縮頸部分橫截面積迅速減小，試樣繼續(xù)伸長所需拉力也相應減小，即應力減小，應變增加，直到試件斷裂［2］。

圖4 試件拉伸應力－時間曲線圖

2.1 撞擊量特征及分析

圖5所示為試件的撞擊計數(shù)曲線，參照拉伸斷裂的應力－時間曲線，分別對拉伸過程的4個階段進行分析。

a.彈性變形階段。從圖中可以看到在彈性變形階段沒有出現(xiàn)聲發(fā)射信號。初步判斷這是由于該試件是從已使用過的氣瓶上切取的試樣，也就是說該試件在彈性變形范圍內(nèi)承受過載荷。根據(jù)凱塞效應，該試件在彈性變形范圍內(nèi)不會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并且通過在彈性變形階段沒有產(chǎn)生聲發(fā)射信號還可以判斷出該試件中不含有裂紋。

b.屈服階段。材料在該階段開始出現(xiàn)塑性變形。試件屈服時會發(fā)生大范圍的塑性變形，材料內(nèi)部的位錯運動加劇，密度增加，位錯滑移和位錯雪崩使得材料塑性變形的能量釋放，因此產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號。

c.強化階段。隨著載荷的增加，塑性變形加劇，材料開始硬化，位錯運動的自由度大大減少，塑性變得很差，該階段仍有大量的聲發(fā)射信號產(chǎn)生，相對塑性屈服階段，其活動性較差。

d.斷裂階段。材料發(fā)生頸縮后，材料內(nèi)部的變形由原來的單向拉伸變成三向拉應力狀態(tài)，此時產(chǎn)生極大的塑性變形，位錯運動的自由度極大減少，塑性變得極差，位錯塞積和位錯糾纏相當嚴重，進一步塑性變形量很有限，處于有利于滑移位向的位錯很少，位錯的滑移距離也很短，因而該階段的聲發(fā)射信號量很少，能量低，活動性很差［3］。

圖5 撞擊波形－時間曲線圖

2.2 幅值特征分析

圖6所示為幅值時間的二維散點圖。從圖中可以看出，試件拉伸斷裂過程中信號幅值主要集中在45～70dB范圍，第一次大幅度信號發(fā)生在開始塑性變形的時刻，第二次大幅度信號則發(fā)生在試件斷裂時期。信號的幅值范圍與背景噪聲信號的幅值范圍相差較遠，因此背景噪聲信號對本次試驗的結(jié)果影響不大，可以通過調(diào)節(jié)門檻值來有效地去除噪聲信號［4］。

圖6 幅值時間散點圖

2.3 頻域特征分析

為進一步了解金屬拉伸斷裂過程的聲發(fā)射信號特征，從所得信號中提取典型聲發(fā)射事件，從圖7波形圖中可以看出聲發(fā)射信號類型為典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號。從頻率圖中可以看到，信號頻率范圍比較寬，主要集中在0～400kHz之間。因此在對高壓氣瓶進行整體檢測時，聲發(fā)射傳感器的選擇應該盡量使用寬頻傳感器，以避免遺漏有效聲發(fā)射信號，從而保證測量結(jié)果的準確性［5］。

圖7 聲發(fā)射信號波形圖

圖8 聲發(fā)射信號頻譜圖

3 結(jié)束語

通過對是否使用轉(zhuǎn)接耦合塊兩種情況的聲發(fā)射信號進行對比，得知使用轉(zhuǎn)接耦合塊只使信號發(fā)生微弱衰減，可以用于對聲發(fā)射傳感器的連接，在檢測高壓氣瓶時也可以采用類似方法連接傳感器與氣瓶。金屬拉伸斷裂過程中，彈性變形、塑性變形、屈服、斷裂四個階段，聲發(fā)射的事件從無到有，彈、塑性階段逐漸增大，屈服階段達到峰值，斷裂階段又逐漸減小，直到斷裂［6］。聲發(fā)射實驗曲線能夠與理論較好地吻合。利用聲發(fā)射技術(shù)可以檢測材料拉伸損傷過程，下一步有必要對含不同缺陷的高壓氣瓶材料進行試驗，分析不同缺陷下的聲發(fā)射特征，從而使聲發(fā)射技術(shù)有效應用于高壓氣瓶的檢測。

［1］楊明緯，耿榮生.聲發(fā)射檢測［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:15.

［2］徐長航，劉立群，陳國明.鋼制試件拉伸斷裂及疲勞開裂聲發(fā)射特征分析［J］.中國石油大學學報，2009，33(5):95 －99.

［3］吳占穩(wěn)，沈功田.起重機常用鋼材拉伸過程的聲發(fā)射特征研究［C］//中國力學學會學術(shù)大會＇2009.鄭州:中國力學學會辦公室，2009:461.

［4］沈功田，耿榮生，劉時風.聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法［J］.無損檢測，2002，24(2):72 －77.

［5］岳亞霖，韋朋余，張煒，等.船用金屬材料聲發(fā)射信號特性研究［J］.實驗力學，2008，23(6):496 －502.

［6］伍蔣軍，黃振峰，毛漢領.金屬拉伸聲發(fā)射信號特征分析［J］.浙江工業(yè)大學學報，2011，39(3):301 －303.

Characteristics Analysis of Acoustic Emission Signals from Tensiling Process of High Pressure Gas Cylinder Materials

CHEN Min，LV Qiujuan，QIN Zhongbao，HU Xiaolong
(The Second Artillery Engineering University，Shaanxi Xian，710025，China)

Using acoustic emission methods for tensile fracture process of high pressure gas cylinder material，it analyzes the stretch features and acoustic emission signals regular.Based on the acoustic emission signals characteristics analysis of different stage in tensile process，it shows that acoustic emission signals and theory analysis are consistent，and the result reflects material internal damage process well and judges the material defects.

Tensiling Experiment;Acoustic Emission;Material Defects

TG115

A

2095－509X(2013)05－0059－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.015

2013－02－06

陳敏(1989—)，男，湖南益陽人，第二炮兵工程大學碩士研究生，主要研究方向為壓力容器安全性能。