戴 光，朱 磊，趙俊茹，姚鴻濱

（1.東北石油大學(xué) 聲發(fā)射檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。聲發(fā)射信號(hào)表示一個(gè)或多個(gè)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(hào)［1］。聲發(fā)射的源機(jī)制各式各樣，不同的源機(jī)制對(duì)應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對(duì)應(yīng)不同的聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射是正在擴(kuò)展的材料缺陷（裂紋）表現(xiàn)出來(lái)的一種物理現(xiàn)象，沒(méi)有塑性變形和擴(kuò)展，裂紋或材料的缺陷處于靜止?fàn)顟B(tài)，就沒(méi)有能量的重新分配，也就沒(méi)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(jī)制［4］。

文章對(duì)防噴器材料裂紋試件在拉伸斷裂過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行研究，運(yùn)用聲發(fā)射參數(shù)分析方法對(duì)防噴器材料裂紋試件的聲發(fā)射歷程圖進(jìn)行分析，得出防噴器材料在拉伸過(guò)程中的損傷類型以及各損傷階段所呈現(xiàn)出來(lái)的聲發(fā)射特性。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件制作

拉伸試驗(yàn)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(jì)制成，在試件中間位置處預(yù)制裂紋，保證試件拉伸過(guò)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(yàn)裝置

聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。采用美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的PCI－2聲發(fā)射檢測(cè)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(hào)。

圖2 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

在拉伸試驗(yàn)之前，用0.5HB鉛芯，伸長(zhǎng)2.5mm，與試件成30°夾角進(jìn)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(guò)程中采集到聲發(fā)射信號(hào)。

拉伸試驗(yàn)在SANS100KN全數(shù)字化微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件的拉伸速度為0.7mm／min。拉伸直至試件斷裂，同時(shí)記錄拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。

2 裂紋缺陷試件聲發(fā)射信號(hào)分析

通過(guò)對(duì)直徑φ10mm，裂紋深度為1，2，3mm試件的拉伸過(guò)程的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖3）對(duì)比分析可知，不同試件拉伸過(guò)程中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化過(guò)程，表現(xiàn)出相同的變化形式，不同試件在幾乎相同的時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，只在拉伸過(guò)程中的試件斷裂時(shí)間上存在差別。文章以直徑φ10mm，深度為2mm缺陷試件進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)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(guò)程中的聲發(fā)射歷程圖，分別是試件拉伸過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)幅值與時(shí)間分布圖、累積撞擊數(shù)與時(shí)間曲線圖，累積振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間曲線圖。對(duì)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(guò)程基本上分為4個(gè)階段。在整個(gè)試件拉伸破壞過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的幅值基本分布在40～65dB。

第一階段為裂紋尖端開(kāi)裂階段（Ⅰ區(qū)）。從圖中可以看出，此階段的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)較少，這說(shuō)明此階段材料并沒(méi)有產(chǎn)生明顯破壞，少量的低能量信號(hào)來(lái)自于試件與兩端夾具在加載過(guò)程中摩擦所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。在這一階段也出現(xiàn)了部分幅值偏大的信號(hào)，可能是試件預(yù)制缺陷在拉伸過(guò)程中受外載而產(chǎn)生開(kāi)裂的結(jié)果。

第二階段為裂紋微開(kāi)裂階段（Ⅱ區(qū)）。此階段聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)和累積撞擊計(jì)數(shù)增加現(xiàn)象明顯，聲發(fā)射信號(hào)的幅值也有所增加，材料損傷開(kāi)始加劇。此階段的損傷主要來(lái)自于第一階段預(yù)制裂紋等損傷形式進(jìn)一步開(kāi)裂，在預(yù)制裂紋尖端處形成較多的聲信號(hào)。

第三階段為裂紋宏觀開(kāi)裂階段（到材料整體失效前，Ⅲ區(qū)）。此階段的聲發(fā)射信號(hào)各參數(shù)增長(zhǎng)幅度較大，這表明材料內(nèi)部因裂紋的宏觀開(kāi)裂，導(dǎo)致預(yù)制裂紋發(fā)生失穩(wěn)性擴(kuò)展，產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號(hào)。

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(hào)的幅值有明顯的增加，此時(shí)試件整體處于失效階段，但是聲發(fā)射信號(hào)較少，能量較低。

通過(guò)對(duì)不同損傷階段的比較可知，在裂紋尖端開(kāi)裂階段有少量的聲發(fā)射信號(hào)，且材料的變化過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定；在裂紋微開(kāi)裂階段，只有較少的高幅值信號(hào)出現(xiàn)，材料本身沒(méi)有發(fā)生大的破壞；在裂紋宏觀開(kāi)裂階段，大量高幅值信號(hào)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(hào)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(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行小波去噪，對(duì)不同階段的典型信號(hào)進(jìn)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(guò)對(duì)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(guò)程中損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的頻帶分布較寬，主要集中在80～350kHz范圍內(nèi)，主要有3個(gè)頻帶。在裂紋尖端開(kāi)裂階段時(shí)的信號(hào)頻率峰值??；在裂紋微開(kāi)裂階段的材料變形過(guò)程較復(fù)雜；在裂紋宏觀開(kāi)裂階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，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(hào)的頻率峰值最高。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)試驗(yàn)，運(yùn)用聲發(fā)射參數(shù)分析法對(duì)防噴器材料預(yù)制裂紋試件的聲發(fā)射歷程圖進(jìn)行分析，得出在拉伸過(guò)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(shí)，在預(yù)制裂紋尖端產(chǎn)生塑性變形；隨著試件進(jìn)入裂紋微開(kāi)裂階段，預(yù)制裂紋的微擴(kuò)展變成宏觀擴(kuò)展直至試件整體失效斷裂。

（3）不同階段聲發(fā)射信號(hào)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(shí)風(fēng)，耿榮生，等.聲發(fā)射信號(hào)的譜分析和相關(guān)分析［J］.無(wú)損檢測(cè)，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(cè)中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009，32（2）：83－84.