淺談聲發(fā)射技術(shù)在金屬材料檢測(cè)中的應(yīng)用

宗震霆

（常州市便民服務(wù)中心，江蘇 常州 213200）

該技術(shù)本身是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，由于大多數(shù)金屬材料都存在聲發(fā)射不可逆的效應(yīng)，經(jīng)過(guò)科學(xué)家的研究，該效應(yīng)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，成為聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的根本性依據(jù)。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)日趨牲畜，被大量運(yùn)用到航天、鐵路、汽車、建筑等領(lǐng)域。

1 聲發(fā)射技術(shù)淺析

1.1 基本概念

首先要明確何為聲發(fā)射技術(shù)。當(dāng)金屬材料的內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波（聲波）時(shí)所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，也被恒偉應(yīng)力波發(fā)射。如某金屬材料或構(gòu)件在受力過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生變形、裂紋等情況，會(huì)以彈性波形的形式表現(xiàn)出來(lái)，然后利用接受聲發(fā)射信號(hào)，可以對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、無(wú)損檢測(cè)。發(fā)射源是指聲發(fā)射材料的物理源點(diǎn)、發(fā)生聲發(fā)射波的機(jī)制源。如裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)塑性形變，發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)、基體破裂、纖維斷裂等。聲發(fā)射的頻率范圍為幾十KHZ~MHZ。聲發(fā)射技術(shù)具有整體性、動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，極大地節(jié)省了時(shí)間和人力，能夠在早期便發(fā)現(xiàn)故障，提前進(jìn)行破壞預(yù)報(bào)。

1.2 檢測(cè)原理

由于金屬材料在發(fā)生內(nèi)部變形時(shí)，會(huì)發(fā)射出范圍較寬的頻率，從次聲頻、聲頻到超聲頻。聲發(fā)射所展示的物理現(xiàn)象會(huì)釋放出足夠強(qiáng)的應(yīng)變能，并伴隨人能聽(tīng)到的聲音，如摔碎玻璃杯就會(huì)聽(tīng)見(jiàn)噼啪聲，金屬材料發(fā)生塑性變形或斷裂時(shí)也會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射，但它所產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度較弱，人耳無(wú)法聽(tīng)到，因此需要借助靈敏度較高的電子儀器才能檢測(cè)出來(lái)。利用儀器進(jìn)行檢測(cè)，分析金屬變形所發(fā)射的信號(hào)來(lái)推斷發(fā)射源的技術(shù)便被稱為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有動(dòng)態(tài)化、無(wú)損化的特點(diǎn)。即在對(duì)金屬材料或構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，能夠達(dá)到無(wú)損的目標(biāo)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)實(shí)際上是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)變化，如金屬裂紋便主動(dòng)參與了檢測(cè)過(guò)程，如果金屬缺陷保持靜止?fàn)顟B(tài)，沒(méi)有發(fā)生變化或擴(kuò)展時(shí)，便不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，也無(wú)法進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。由此可延伸到，如果聲發(fā)射信號(hào)來(lái)源金屬內(nèi)部缺陷本身，則可以利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)來(lái)判斷缺陷的嚴(yán)重性。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)內(nèi)容是電信號(hào)，電子儀器可以根據(jù)電信號(hào)的頻率、聲段等特征來(lái)解釋材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷變化，當(dāng)然，檢測(cè)人員也必須具備充足的專業(yè)知識(shí)與檢測(cè)手段。此外，聲發(fā)射的檢測(cè)環(huán)境往往會(huì)伴隨較強(qiáng)的噪聲干涉，雖然隨著科技的進(jìn)步，已經(jīng)出現(xiàn)了各種噪聲排除方法，但在一些特殊情況下，這些方法仍然無(wú)法徹底消除，因此聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用也受到諸多限制。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

聲發(fā)射檢測(cè)的目的為：確定聲發(fā)射源的部位、分析聲發(fā)射源的性質(zhì)、確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間與荷載、評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性等。隨著技術(shù)的不斷更新，聲發(fā)射技術(shù)在金屬檢測(cè)中的應(yīng)用也更加廣泛。一般情況下，對(duì)于超標(biāo)聲發(fā)射源，需要利用其它無(wú)損檢測(cè)法來(lái)進(jìn)行局部復(fù)檢，以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性，明確缺陷的性質(zhì)與大小。聲發(fā)射技術(shù)是基于動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)的角度下，通過(guò)對(duì)被測(cè)物體的能量檢測(cè)而得到檢測(cè)結(jié)果；該技術(shù)對(duì)線性缺陷比較敏感，它能探測(cè)因外力作用而導(dǎo)致的缺陷活動(dòng)狀況，靜態(tài)缺陷不會(huì)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)；可以提供缺陷隨著外界條件的變化而變化，如時(shí)間、溫度、載荷等，信息具有實(shí)時(shí)連續(xù)性的特點(diǎn)，因此可以用于早期臨近破壞的檢測(cè)；該技術(shù)不宜在高低溫、核輻射、易燃易爆等環(huán)節(jié)應(yīng)用。聲發(fā)射檢測(cè)的校準(zhǔn)包括在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)儀器硬件靈敏度和一致性的校準(zhǔn)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)已經(jīng)安裝好傳感器的整個(gè)聲發(fā)系統(tǒng)靈敏度和定位精度的校準(zhǔn)。對(duì)儀器的校準(zhǔn)需采用專用的電子信號(hào)發(fā)聲器來(lái)產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的電子信號(hào)，直接輸入前置放大器活儀器的主放大器。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)安裝好傳感器整個(gè)聲發(fā)系統(tǒng)靈敏度和定位精度的校準(zhǔn)應(yīng)用在被檢測(cè)金屬材料上可發(fā)射機(jī)械波的模擬聲發(fā)射信號(hào)。

1.4 檢測(cè)儀器

對(duì)儀器硬件系統(tǒng)的校準(zhǔn)直接采用專用的電子信號(hào)發(fā)聲器來(lái)產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的電子信號(hào)直接輸入前置方法器或儀器的主放大器，來(lái)直接測(cè)量?jī)x器采集這些信號(hào)的輸出。例如，GB/T18182-2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，儀器的門檻精度應(yīng)控制在±2dB范圍內(nèi)，處理器內(nèi)的幅度測(cè)量電路測(cè)量精度為±2dB，處理器內(nèi)的能量測(cè)量信號(hào)精度為±5%，同時(shí)滿足信號(hào)能量的動(dòng)態(tài)范圍不低于40dB。聲發(fā)射技術(shù)在金屬檢測(cè)應(yīng)用中所包括的儀器主要分為兩大類，一是單通道聲發(fā)射檢測(cè)儀器、二是多通道聲發(fā)射源定位，以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。前者主要由換能器、前置放大器、衰減器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成；后者是在前者基礎(chǔ)上增設(shè)了數(shù)字測(cè)定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等。

2 聲發(fā)射技術(shù)在金屬材料檢測(cè)中的應(yīng)用

在外力作用下，金屬材料的內(nèi)部會(huì)生成力場(chǎng)，并發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變。當(dāng)外力增加，應(yīng)變也會(huì)隨著增加，這個(gè)時(shí)候材料便會(huì)產(chǎn)生較大的能量，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。金屬材料最常發(fā)生的應(yīng)變便是塑性形變、斷裂，是在不同時(shí)間下產(chǎn)生的松弛應(yīng)力所表現(xiàn)的形式，釋放出的部分能量會(huì)以應(yīng)力波的方式傳輸，從而引發(fā)聲發(fā)射。

2.1 檢測(cè)塑性形變

圖1 金屬材料塑性變形內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

聲發(fā)射技術(shù)對(duì)塑性形變的檢測(cè)應(yīng)用最常見(jiàn)的材料便是低合金鋼，在屈服極限附近，形變最大，聲發(fā)射信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)峰值。產(chǎn)生塑性變形聲發(fā)射的根本原因是金屬材料的內(nèi)部出現(xiàn)不均勻受力或微觀屈服。在金屬材料行列，常見(jiàn)的塑性變形類型主要包括滑移、孿生兩類?；剖窃谇袘?yīng)力的作用下，材料部分分子沿著一定的滑移面和滑移方向相對(duì)另一部分分子發(fā)生相對(duì)移位的現(xiàn)象。孿生是指在切應(yīng)力的作用下，分子的一部分以一定的孿生面為對(duì)稱面和一定的孿生方向與另一部分分子發(fā)生相對(duì)切變的現(xiàn)象?；扑枘芰啃?，變形時(shí)優(yōu)先考慮，當(dāng)錯(cuò)位在運(yùn)動(dòng)中因相互纏結(jié)而無(wú)法靠其實(shí)現(xiàn)變形，便出現(xiàn)孿生。當(dāng)兩類形變都難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，便會(huì)在外力的繼續(xù)作用下發(fā)生扭折?；诼暟l(fā)射信號(hào)的角度來(lái)看，滑移屬于連續(xù)性信號(hào)，而孿生則為突發(fā)性信號(hào)。金屬材料在加工硬化階段會(huì)因?yàn)槲诲e(cuò)密度的急劇提升而減少了位錯(cuò)的可移動(dòng)性，聲發(fā)射的動(dòng)態(tài)變化也會(huì)減少。從物理概念上來(lái)講，金屬的塑性變形是不可逆的，所以聲發(fā)射也是不可逆的，在同等靈敏度條件下，當(dāng)超過(guò)之前所施加的最大應(yīng)力之前，沒(méi)有出現(xiàn)能夠被電子設(shè)備所探測(cè)的聲發(fā)射，則將其稱為凱瑟效應(yīng)。它對(duì)金屬塑性變形檢測(cè)具有關(guān)鍵意義，能夠判斷是否經(jīng)受過(guò)最大應(yīng)力。大多數(shù)金屬材料在進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)凱瑟效應(yīng)。但此效應(yīng)并非是永久性的，在二次加載以前，如果把材料靜止足夠長(zhǎng)的時(shí)間，或者事先進(jìn)行加熱處理，那么在達(dá)到最大載荷之前都會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射。對(duì)塑性形變聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果造成影響的因素主要有金屬自身的性質(zhì)、材料分子組成結(jié)構(gòu)等。如非金屬夾雜物便會(huì)在檢測(cè)中增加形變時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。對(duì)于多晶體材料，聲發(fā)射信號(hào)也會(huì)隨著晶粒大小、均勻性、取向等變化而變化。其次，應(yīng)力的加載條件、構(gòu)件幾何形態(tài)等均會(huì)對(duì)材料的塑性變形帶來(lái)較大影響。

2.2 檢測(cè)斷裂與裂紋

金屬聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的最初應(yīng)用便是對(duì)斷裂與裂紋的檢測(cè)，由于構(gòu)件內(nèi)部裂紋往往會(huì)產(chǎn)生極大的風(fēng)險(xiǎn)，借助聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)可以在早期對(duì)裂紋變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，并具有較高的靈敏性、無(wú)損性，因此是其他檢測(cè)技術(shù)無(wú)法相比的。應(yīng)項(xiàng)材料斷裂的因素較多，不同的斷裂環(huán)境所差生的聲發(fā)射信號(hào)也有很大差異。如高強(qiáng)度鋼受到荷載時(shí)，裂紋尖端會(huì)形成塑性區(qū)，并發(fā)射聲信號(hào)，裂紋逐步擴(kuò)展，聲發(fā)射的動(dòng)態(tài)變化也會(huì)增強(qiáng)，并差生較強(qiáng)的振幅。而超高強(qiáng)度鋼直至斷裂的這個(gè)過(guò)程也只產(chǎn)生少量的AE事件。因?yàn)樵摬牧系牧鸭y擴(kuò)展量較小，抑制了聲發(fā)射的活動(dòng)性。斷裂往往是突發(fā)性變化，因此容易被檢測(cè)。高斷裂韌性金屬材料在受到平面應(yīng)力的作用時(shí)，一般會(huì)以微孔聚合的方式出現(xiàn)斷裂，斷裂尖端的塑性區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。

圖2 金屬構(gòu)件內(nèi)部裂紋