龍飛飛，王 瓊，宋 陽，李 偉

（東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318）

聲發(fā)射檢測技術是一種新興的動態(tài)無損檢測，被廣泛應用于壓力容器的在線監(jiān)測中［1］。金屬材料受到拉應力的作用時，內部的能量會聚集，當能量聚集到足夠大時會引起裂紋擴展或塑性變形從而產生聲發(fā)射現象，通過對聲發(fā)射信號特性分析可以判斷出材料的損傷程度、受力狀態(tài)等特性［2］。

脆性斷裂是金屬材料在低溫下的主要失效形式之一。金屬材料有足夠塵銳的缺口或缺陷時，在溫度低于脆性轉變溫度（NDTT）下就可能產生脆性斷裂，而且這種脆性斷裂的發(fā)生通常很突然［3］。Q345R鋼作為低溫常規(guī)用鋼，在壓力容器制造中被廣泛應用。筆者選用Q345R作為試驗材料，對其低溫下的拉伸聲發(fā)射特性進行試驗研究，分析其在低溫拉伸過程中的信號類型及脆性斷裂后的信號變化，驗證聲發(fā)射檢測技術對其在線檢測的實際應用意義。

1 試驗方法

試驗中加載設備選用瑞格爾有限公司制造的300kN微機控制全數字化電子萬能試驗機。Q345R鋼在常溫壓力容器制造時大多是用熱軋板材直接制成所需的制品，這時材料的脆性轉變溫度范圍較窄，熱處理對Q345R鋼脆性轉變溫度有很大影響［4］，筆者將拉伸試樣通過熱處理改變其脆性轉變溫度。拉伸試樣采用900℃正火處理，使晶粒細化，使試樣的脆性轉變溫度大致在－40℃～－50℃再進行拉伸試驗，以便于區(qū)分材料是否發(fā)生脆變。試件尺寸見圖1。試驗分別選取20℃，0℃，－20℃，－40℃，－60℃5組溫度進行拉伸試驗。

2 聲發(fā)射信號聚類分析

圖1 材料試樣尺寸

針對聲發(fā)射信號首先采用簡單高效的K均值聚類［5］（k－means clustering）以達到去噪的目的，它是Mac Queen提出的一種聚類算法。

K均值聚類中最優(yōu)聚類的個數K由Dacies ＆Bouldin準則確定，系數DB定義如下：

式中：di和dj為類i和類j內平均距離；Dij為類i和類j間的距離。

當DB達到最小值時，聚類個數最佳。當K為2時DB達到最小值，即最優(yōu)聚類個數K為2。

將聲發(fā)射信號分割成兩類信號（下文表述為類一信號、類二信號）進行分析，以20℃時信號為例進行分析，結合圖2類一信號撞擊累積時間歷程曲線、幅值時間歷程散點圖，圖3類二信號撞擊累積時間歷程曲線、幅值時間歷程散點圖和表1聚類分析各個參數均值可得：20℃實驗時，900s左右（屈服階段），類一信號撞擊累積增加明顯，類二信號在整個時間拉伸過程中撞擊累積個數幾乎成線性增長；兩類信號均為低幅值、高持續(xù)時間，這說明這兩類信號都是持續(xù)信號；兩類信號相比，類一信號平均幅值、持續(xù)時間、能量計數、計數均高于類二信號。由此可以判斷類一信號為Q345R拉伸過程中產生的塑性變形信號及裂紋開裂信號，類二信號為試驗過程中的噪聲信號。表1中能量計數指信號檢波包絡線下的面積，計數指越過門檻信號的震蕩次數，表2同。下面筆者對類一信號進行分析。

表1 聚類分析各個參數均值

3 試驗結果及分析

3.1 能量－幅值關聯關系

對5組數據進行能量－幅值關聯分析，由圖4能量－幅度圖可看出，在試驗溫度區(qū)間，高幅值下的信號一般有著較高的能量。隨著溫度的降低，能量－幅值的關聯關系更趨向于集中。在－60℃時材料溫度已經達到脆性轉變溫度，材料發(fā)生脆性斷裂，撞擊數增多。結合表2可見，在試驗溫度區(qū)間，幅值變化較小，持續(xù)時間、能量、計數發(fā)生較大變化（變化超過10倍）；隨著溫度的降低，聲發(fā)射活性減弱，聲發(fā)射信號能量變??；－20℃能量變化較大，證明從此溫度開始，低溫對Q345R鋼聲發(fā)射活性影響較大。

表2 不同溫度下各參數均值

3.2 波形

試樣在拉伸過程中，在彈性階段，試樣主要發(fā)生的是能夠恢復的彈性變形，材料內部十分微小的變形以及一些微裂紋的開裂，產生一些聲發(fā)射信號。彈性階段聲發(fā)射信號特征是信號幅度較小，強度較弱；進入屈服階段，材料內部晶粒間位錯運動加劇，塑性變形發(fā)生，隨著加載的繼續(xù)，產生塑性變形的晶粒變多，而材料內部聚集的足夠能量使微裂紋互相貫通融合，變形加劇，產生強烈的聲發(fā)射現象即聲發(fā)射信號；材料進入強化階段，由材料的位錯理論，強化階段時材料內部存在位錯活動的交割及釘扎現象，可動位錯變少，聲發(fā)射信號變少，但是都是高強度信號。相較于彈性階段和強化階段，屈服階段的聲發(fā)射活性最強，產生塑性變形，筆者主要對屈服階段的信號進行波形頻譜分析。

圖5表示不同溫度下屈服階段的原始波形及頻譜圖。在20℃與－40℃溫度下，溫度沒有達到脆性轉變溫度，表現為連續(xù)型聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號由于溫度降低聲發(fā)射活性減弱，幅值變小，頻率分布范圍變廣，低頻率信號活性較弱，可以判別塑性變形信號多集中在50～150kHz；溫度由－40℃降到－60℃時，聲發(fā)射信號幅值減小十分明顯，較高幅值頻率主要集中在50～150kHz和300～400kHz，可見材料在此區(qū)間產生脆性斷裂，與理論分析脆變溫度區(qū)間相符，高頻率信號為脆性斷裂信號。

4 結論

（1）溫度能夠影響Q345R鋼內部晶粒間位錯運動。隨著溫度的降低，能量不斷減小，聲發(fā)射活性減弱。

（2）隨著溫度的降低，Q345R鋼低溫拉伸過程的聲發(fā)射信號頻率分布范圍變廣；在脆性轉變溫度以后，材料發(fā)生脆性斷裂，產生高頻率脆性斷裂聲發(fā)射信號，多集中在300～400kHz。

［1］陳開路.聲發(fā)射檢測技術及其在電力系統(tǒng)的應用前景［J］.福建電力與電工，2001，21（3）：58－59.

［2］徐彥廷，戴光，張寶琪.16MnR鋼制拉伸試樣在常、高溫下的聲發(fā)射特性試驗研究［J］.大慶石油學院學報，1995，19（2）：75－77.

［3］唐曉鋒，趙院婷，高浩，等.低溫壓力容器制造質量控制［C］／／第三屆十省區(qū)市機械工程學會科技論壇暨黑龍江省機械工程學會2007年年會論文（摘要）集.黑龍江：［出版者不詳］，2007.

［4］李紅英，丁常偉，胡少旭.熱處理工藝對16MnR鋼脆性轉變溫度的影響［J］.熱加工工藝，2006，35（20）：55－57.

［5］LIKAS A，VLASSIS N，VERBEEK J.The global kmeans clustering algorithm［J］.Pattern Recognition，2003，36（2）：451－461.