張忠政,鞏建鳴,梁 華

(1.南京工業(yè)大學(xué),南京 210009;2.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院,南京 210002)

聲發(fā)射技術(shù)作為一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),在壓力容器檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在聲發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中,了解和掌握設(shè)備材料損傷過(guò)程中的聲發(fā)射特性,對(duì)于分析判斷設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性和安全性至關(guān)重要。當(dāng)前對(duì)于碳鋼和低合金鋼等常用壓力容器金屬損傷的聲發(fā)射特性研究較多[2],而對(duì)于近年來(lái)在核能、化工和航天等工業(yè)領(lǐng)域中得到重要應(yīng)用的鋯材聲發(fā)射特性的研究很少。筆者在實(shí)驗(yàn)室對(duì)鋯金屬進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射測(cè)試研究,為聲發(fā)射技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試樣和儀器

試驗(yàn)采用純鋯Zr-3(R60702),根據(jù)GB/T 228-2002標(biāo)準(zhǔn)[3]制作母材和焊件兩種試樣。金屬拉伸試驗(yàn)在Instron 5869試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)用引伸計(jì)和橫梁位移測(cè)量試樣應(yīng)變。試驗(yàn)過(guò)程中可記錄應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和載荷等試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)用聲發(fā)射儀為美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的POCKET AE-2型2通道聲發(fā)射系統(tǒng),傳感器型號(hào)為R15a/R6a型,中心頻率為150 k Hz,可同時(shí)采集記錄聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)、波形數(shù)據(jù),并可存儲(chǔ)、回放,還能用存儲(chǔ)卡導(dǎo)出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中,然后用AEwin for PCI2等PAC軟件作進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。

2 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)GB/T 228標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),同時(shí)應(yīng)用聲發(fā)射儀對(duì)試樣拉伸過(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射測(cè)試。聲發(fā)射源定位方式采用雙傳感器線性定位,兩傳感器沿試樣長(zhǎng)度方向在中心對(duì)稱(chēng)布置,兩傳感器中心相距70 mm。耦合劑采用真空脂,傳感器用塑料膠帶固定。聲發(fā)射儀門(mén)檻值設(shè)置為45dB,試驗(yàn)過(guò)程中采集聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)和波形,采樣頻率為5MHz,每個(gè)波形記錄1024個(gè)點(diǎn),試驗(yàn)過(guò)程中門(mén)檻值設(shè)置為45 dB。拉伸試驗(yàn)采取控制加載點(diǎn)位移方式進(jìn)行加載,加載速率為2mm/min。為減少拉伸試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)試件與夾具摩擦產(chǎn)生的噪聲信號(hào)干擾聲發(fā)射信號(hào)采集,試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)試樣進(jìn)行了少量的加載處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

金屬材料拉伸一般可分為彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂4個(gè)階段。試驗(yàn)根據(jù)Instron拉伸儀時(shí)間記錄、應(yīng)力-應(yīng)變曲線及聲發(fā)射儀時(shí)間記錄對(duì)應(yīng)關(guān)系,確定鋯材拉伸過(guò)程中的這4個(gè)時(shí)間段,分階段研究鋯材拉伸時(shí)間歷程中的聲發(fā)射信號(hào)特性。在試驗(yàn)拉伸時(shí)間分段中,母材：彈性階段(0～54.7542s),屈服階段(54.7542～56.7542s),強(qiáng)化階段(58.2542～645.2542s),斷裂階段(645.2542～656.7542s);焊件：彈性階段(0～56.6142s),屈服階段(56.6142～62.1142s),強(qiáng)化階段(62.1142～335.6142s),斷裂階段(335.6142～367.6142s)。其中圖1為試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線,由圖可知鋯材拉伸過(guò)程的屈服階段不明顯。圖2為聲發(fā)射波形圖,信號(hào)為典型的突發(fā)性信號(hào)。圖3為試樣聲發(fā)射參數(shù)時(shí)間歷程圖,包括常用的撞擊、幅度、能量和計(jì)數(shù)四個(gè)參數(shù)在拉伸過(guò)程中隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)圖。

3.2 聲發(fā)射參數(shù)分析

3.2.1 撞擊-時(shí)間歷程圖

彈性階段初始沒(méi)有撞擊信號(hào),隨后出現(xiàn)撞擊信號(hào),撞擊數(shù)量伴隨時(shí)間快速增加。屈服階段前后信號(hào)撞擊數(shù)量急劇增加,撞擊數(shù)達(dá)到歷程圖中極大值。強(qiáng)化階段時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),信號(hào)撞擊數(shù)目初始較高,隨著時(shí)間增加逐漸減少,到斷裂前降至最低。斷裂階段撞擊信號(hào)突然急劇增加,但沒(méi)有屈服時(shí)撞擊數(shù)多,斷裂隨即發(fā)生,撞擊信號(hào)急劇下降。母材和焊件試樣撞擊時(shí)間歷程圖曲線變化趨勢(shì)相似,相比撞擊數(shù)極值,母材大于焊件,強(qiáng)化階段焊件撞擊數(shù)變化較母材平緩。

3.2.2 幅值-時(shí)間歷程圖

對(duì)于母材,在彈性階段和屈服前后階段,大量信號(hào)幅度低于65dB,主要集中在55dB之下,少量信號(hào)高于70dB;在強(qiáng)化階段,信號(hào)基本上也是以低幅度(＜60dB)為主,少量的信號(hào)幅度在60～80dB之間,個(gè)別信號(hào)幅度超過(guò)80dB;斷裂階段信號(hào)幅值突然增加,斷裂瞬間達(dá)到100dB。對(duì)于焊件,彈性階段、屈服階段和斷裂階段幅值與母材類(lèi)似;在強(qiáng)化階段,與母材相比,除了低幅度信號(hào)為主外,高幅信號(hào)所占比例大大增加,大量信號(hào)分布在70～90dB之間,少量信號(hào)分布在90～100dB之間。

3.2.3 能量-時(shí)間歷程圖

拉伸過(guò)程中,在屈服階段能量出現(xiàn)極值;斷裂瞬間,能量快速釋放,出現(xiàn)極大值,其余階段能量較小。母材和焊件能量分布趨勢(shì)曲線類(lèi)似,另外焊件強(qiáng)化階段有多個(gè)能量峰值體現(xiàn)。能量分布表明拉伸過(guò)程中在屈服階段和斷裂階段是試樣能量釋放階段。

3.2.4 計(jì)數(shù)-時(shí)間歷程圖

對(duì)于母材,在彈性階段信號(hào)逐漸增加;在屈服階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)急劇增加,達(dá)到一個(gè)極值;強(qiáng)化階段逐漸減少,計(jì)數(shù)仍保持較高值;斷裂階段前期,計(jì)數(shù)值下降,后期計(jì)數(shù)信號(hào)急劇增加達(dá)到最高值,斷裂瞬間達(dá)到極大值。焊件彈性、塑性和斷裂階段計(jì)數(shù)變化與母材類(lèi)似,不同的是整個(gè)強(qiáng)化階段過(guò)程聲發(fā)射計(jì)數(shù)都維持在與屈服階段相同的高水平。焊件強(qiáng)化階段信號(hào)計(jì)數(shù)的高水平表明了焊接件由于焊接原因?qū)е略嚇幼兇?而脆性材料聲發(fā)射更加活躍。

鋯材拉伸過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)變化過(guò)程反映了材料的損傷過(guò)程。金屬材料拉伸過(guò)程中聲發(fā)射源是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。彈性階段前期,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)少,表現(xiàn)為幾乎沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào);隨著載荷增加,位錯(cuò)被迅速發(fā)動(dòng),聲發(fā)射撞擊和計(jì)數(shù)等參數(shù)增加,但位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)比較順暢,聲發(fā)射能量、幅度參數(shù)較小。塑性變形時(shí),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)量達(dá)到最大,滑移變形、孿晶變形等現(xiàn)象發(fā)生[4],應(yīng)力發(fā)生再分布,產(chǎn)生了頻繁的聲發(fā)射信號(hào),計(jì)數(shù)、撞擊、能量和幅度達(dá)到峰值。強(qiáng)化階段時(shí),隨著變形的增加,位錯(cuò)滑移變得受到阻礙,發(fā)生位錯(cuò)堵塞,需要更大載荷發(fā)動(dòng)堵塞的位錯(cuò)堆,聲發(fā)射信號(hào)也相對(duì)減少。斷裂階段,隨著載荷增加,大量位錯(cuò)堆積被拉動(dòng),位錯(cuò)群急劇運(yùn)動(dòng),聲發(fā)射信號(hào)急劇增加,材料瞬間發(fā)生斷裂,釋放出巨大能量,聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)達(dá)到極大值。與母材相比,焊件拉伸應(yīng)變較小,很多能量在強(qiáng)化階段得到了釋放,因此焊件在強(qiáng)化階段產(chǎn)生了相對(duì)較多的聲發(fā)射信號(hào)。

比較參數(shù)描述材料的損傷過(guò)程,發(fā)現(xiàn)撞擊參數(shù)更準(zhǔn)確地描述了拉伸過(guò)程中鋯材損傷過(guò)程。這種表征在設(shè)備聲發(fā)射檢測(cè)中的安全預(yù)警和損傷判斷具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

3.3 波形分析

近20年來(lái),聲發(fā)射技術(shù)除經(jīng)典參數(shù)分析方法外,基于波形的信號(hào)處理方法得到了應(yīng)用,如信號(hào)頻譜分析和小波分析等。筆者通過(guò)分析試樣拉伸過(guò)程中彈性、塑性、強(qiáng)化和斷裂四個(gè)階段的典型波形數(shù)據(jù)頻譜圖,研究試樣各個(gè)拉伸階段的頻率特征。數(shù)據(jù)處理應(yīng)用Matalab軟件,典型頻譜圖見(jiàn)圖4。

由信號(hào)頻譜圖可知,鋯材拉伸過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)頻率主要分布在0～500 k Hz,其中132 k Hz處幅值最大,為鋯材拉伸過(guò)程損傷時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的中心頻率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,探頭頻率選在130 k Hz左右時(shí)檢測(cè)靈敏度最高。對(duì)比鋯材拉伸不同階段頻譜圖,發(fā)現(xiàn)信號(hào)頻率有增大現(xiàn)象,但規(guī)律性不明顯,無(wú)法準(zhǔn)確表征材料損傷特性。

4 結(jié)論

(1)鋯金屬拉伸過(guò)程不同階段聲發(fā)射常用參數(shù)特征不同,其中通道撞擊數(shù)較好地表征了鋯材拉伸過(guò)程不同階段的損傷程度。

(2)聲發(fā)射信號(hào)頻譜分析表明,鋯金屬拉伸聲發(fā)射信號(hào)頻率在0～500 k Hz之間,中心頻率為132 k Hz左右。

(3)鋯金屬拉伸母材和焊件聲發(fā)射參數(shù)表征總體趨勢(shì)類(lèi)似。與母材相比,焊件在強(qiáng)化階段釋放能量多,該階段焊件聲發(fā)射信號(hào)數(shù)目較多,信號(hào)幅值較高。

研究結(jié)果對(duì)鋯制設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)和監(jiān)測(cè)時(shí)傳感器頻率選取、參數(shù)安全預(yù)警、信號(hào)分析和處理等方面具有重要參考意義。

圖4 試樣拉伸過(guò)程不同階段信號(hào)頻譜圖

[1]沈功田,李金海.壓力容器無(wú)損檢測(cè)——聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2004,26(9)：457-463.

[2]Ennaceur C,Laksimi A,Herve′C,et al.Monitoring crack growth in pressure vessel steels by the acoustic