(1.北京中水新華灌排技術(shù)有限公司，北京 100032；2.江河機(jī)電裝備工程有限公司，北京 100071；3.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

1 前 言

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)就是用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)用于水利水電工程水工金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備載荷試驗(yàn)的實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)[1-4]，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全性進(jìn)行評(píng)估及預(yù)警。我國(guó)制定了《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》(GB/T 18182—2012)[5]，在該標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于聲發(fā)射源強(qiáng)度劃分采用幅度參數(shù)時(shí)，僅僅推薦了低合金鋼16MnR材料的分級(jí)參數(shù)a和b的值(強(qiáng)度b為高強(qiáng)度)。其他材質(zhì)的強(qiáng)度分級(jí)a、b值，未給出，需要通過(guò)試驗(yàn)獲得。

國(guó)內(nèi)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出了Q235、Q345強(qiáng)度級(jí)別的低合金鋼和灰口鑄鐵HT200的AE源強(qiáng)度分級(jí)的幅值(a和b)界限[7-8]。由常見(jiàn)碳鋼和低合金鋼材料制造的容器或構(gòu)件，由于材料特性相似，這些幅值界限參數(shù)可以作為參考。但近年來(lái)，600MPa級(jí)及以上強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼在水工金屬結(jié)構(gòu)尤其是壓力鋼管、鋼岔管、機(jī)組蝸殼中應(yīng)用比例逐漸增加，這些高強(qiáng)鋼的材料特性與低合金鋼差異較大，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)推薦的參數(shù)與實(shí)際情況相差很大。

因此，研究600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)源強(qiáng)度分級(jí)幅度界限，對(duì)該類結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)應(yīng)用具有重要的意義。

水利水電工程中常用的兩種600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼為B610CF和07MnMoVR，其為抗拉強(qiáng)度(Rm)大于或等于610N/mm2級(jí)容器用高強(qiáng)鋼，兩種鋼材具有一致的化學(xué)成分和強(qiáng)度。具有優(yōu)秀的力學(xué)、機(jī)械性能和較低的焊接裂紋敏感性。

本文研究了該兩種牌號(hào)鋼材結(jié)構(gòu)件聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)的活性和強(qiáng)度特性，試驗(yàn)得到了聲發(fā)射定位源強(qiáng)度分級(jí)的幅度推薦值，其成果為水利行業(yè)聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[9]的起草編制奠定了基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 拉伸試驗(yàn)的設(shè)置

拉伸試驗(yàn)中采用的B610CF和07MnMoVR兩種牌號(hào)的板狀試樣，工件幾何尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 拉伸板狀試件的幾何尺寸 (單位：mm)

5塊材質(zhì)為B610CF和5塊材質(zhì)為07MnMoVR的同樣尺寸的拉伸試樣的應(yīng)力-位移(或應(yīng)力-時(shí)間)曲線數(shù)據(jù)和聲發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，雖然10個(gè)試樣的強(qiáng)度略有不同，對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件本身不具有重復(fù)性，導(dǎo)致10個(gè)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在細(xì)微差別，但是試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)的宏觀統(tǒng)計(jì)特性(如聲發(fā)射事件的強(qiáng)度和活性等)相似。

其中一塊試樣的力學(xué)性能和化學(xué)成分如表1所列。

表1 B610CF的力學(xué)性能和化學(xué)成分

拉伸試驗(yàn)的實(shí)施根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)來(lái)執(zhí)行，拉伸試驗(yàn)采用的是微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為WAW-1000，最大加載載荷可達(dá)1000kN，試驗(yàn)過(guò)程中的加載采用位移加載方式，加載速率為1mm/min，采用一次加壓循環(huán)方式，連續(xù)加載至試件斷裂(見(jiàn)圖2)。

圖2 拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-位移曲線

該試件的抗拉強(qiáng)度Rm、0.2%規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度RP0.2分別為700MPa、660MPa，上、下屈服強(qiáng)度ReH和ReL接近相等，為580MPa。

2.2 聲發(fā)射試驗(yàn)的設(shè)置

聲發(fā)射檢測(cè)采用AMSY-6型38通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，其最大數(shù)字化頻率為10MHz，最大時(shí)間精度為0.1μs。傳感器為VS150-RIC型高靈敏度壓電傳感器，共振頻率為150kHz，頻率范圍為100～450kHz，內(nèi)置增益為34dB的前置放大器，選擇25～850kHz的帶通濾波器；閘門(mén)閾值設(shè)置為40dB(見(jiàn)表2)。圖3為該型傳感器的頻率響應(yīng)曲線,圖3中橫坐標(biāo)VS150-RIC表示傳感器的型號(hào)，f表示頻率，單位為kHz，縱坐標(biāo)表示靈敏度，單位為V/μbar。

表2 聲發(fā)射系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置

圖3 VS150-RIC型傳感器的頻率響應(yīng)曲線

監(jiān)控中采用線性時(shí)差定位方法，兩個(gè)傳感器對(duì)于試件中心位置呈對(duì)稱放置，且置于板材的同一側(cè)，坐標(biāo)分別為x=-70mm，x=70mm，即1號(hào)(-70，0),2號(hào)(70，0)，檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程均進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的采集。

3 拉伸試驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)分析

由于試件拉伸曲線中沒(méi)有明顯的屈服階段，可以通過(guò)測(cè)量出的抗拉強(qiáng)度Rm、0.2%規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度RP0.2、上(下)屈服強(qiáng)度ReH(ReL)來(lái)將其劃分為4個(gè)階段，彈性變形階段為0～580MPa、屈服階段為580～660MPa、強(qiáng)化階段為660～700MPa、頸縮破壞階段為700MPa至結(jié)束，在應(yīng)力-位移(時(shí)間)曲線上分別對(duì)應(yīng)于0～489s、489～597s、597～770s、770～1034s(持續(xù)時(shí)間分別為489s、108s、173s、264s)，最后斷裂的位置大致位于試件中間部位。圖4為有關(guān)的聲發(fā)射參數(shù)分布圖，圖4(a)中橫坐標(biāo)線性定位的x軸坐標(biāo)系，單位為mm，縱坐標(biāo)表示聲發(fā)射事件的幅值，單位為dB；圖4(b)中橫坐標(biāo)表示時(shí)間軸，單位為s，左縱坐標(biāo)表示聲發(fā)射事件的幅值，單位為dB，右縱坐標(biāo)表示累計(jì)撞擊數(shù)，單位為個(gè)。

由以上參數(shù)圖可以看出，主要的聲發(fā)射定位源在兩探頭附近及試件的中間位置(斷裂部位)。

采用聲發(fā)射線性時(shí)差定位時(shí)，兩探頭連線延長(zhǎng)線上的聲發(fā)射源會(huì)被定位計(jì)算到鄰近的探頭附近；而試件夾持位置在兩探頭連線段延長(zhǎng)線上，因此探頭附近的定位主要是由于拉伸初期(彈性變形早期) 來(lái)自于試件和夾具之間的咬合、滑移、摩擦產(chǎn)生的機(jī)械噪聲信號(hào)產(chǎn)生的定位。由于試件斷裂在中間位置，濾掉探頭附近區(qū)域的信號(hào)，只分析試件中間區(qū)域附近的信號(hào)(-55～55mm區(qū)間)。圖5為試件中間區(qū)域附近有關(guān)聲發(fā)射參數(shù)圖，圖5中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為s，左縱坐標(biāo)表示聲發(fā)射事件的幅值，單位為dB，右縱坐標(biāo)表示累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)，單位為個(gè)。

圖4 整個(gè)拉伸階段AE參數(shù)

圖5 幅值與時(shí)間相關(guān)圖及聲發(fā)射事件隨時(shí)間經(jīng)歷(試件中區(qū)附近區(qū)域)

彈性變形階段，聲發(fā)射源區(qū)的聲發(fā)射事件隨著升壓較均值增加，比較穩(wěn)定，試件處于安全狀態(tài)。從定位事件的幅值分布可以看出，定位源的信號(hào)中較大的幅值主要集中在50dB以下，最大幅值小于65dB。

屈服階段，會(huì)產(chǎn)生大范圍的塑性變形，材料內(nèi)部晶格發(fā)生很大的變化，位錯(cuò)加劇，位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)滑移和位錯(cuò)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(hào)，事件數(shù)隨著時(shí)間近似均勻增加(事件率接近一個(gè)常數(shù))，表現(xiàn)出很強(qiáng)的活性和強(qiáng)度。幅度較高的事件的幅值主要分布在55～73dB，中位數(shù)為65dB左右。

強(qiáng)化階段，隨著載荷的增加，塑性變形加劇，材料開(kāi)始硬化，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(hào)產(chǎn)生，但是事件率逐漸變小，該階段定位源的活性不及屈服階段，且聲發(fā)射信號(hào)幅值出現(xiàn)了短暫的回落。即整體的活性和強(qiáng)度要弱于塑性變形階段。幅度較高的事件的幅值主要分布在55～68dB，最大值為68dB。

頸縮破壞階段，材料發(fā)生頸縮后，材料內(nèi)部的變形由原來(lái)的單向拉伸變成了三向拉應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生極大的塑性變形，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的自由度極大減少，塑性變得極差，位錯(cuò)塞積和位錯(cuò)糾纏相當(dāng)嚴(yán)重，進(jìn)一步塑性變形量有限，處于有利于滑移位向的位錯(cuò)極少，位錯(cuò)的滑移距離也很短。因而，在頸縮早期的裂紋萌生階段，聲發(fā)射信號(hào)量相對(duì)較多，信號(hào)幅值也較大；在中期，聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)量和幅值出現(xiàn)了回落；而在接近斷裂的一個(gè)極短時(shí)間范圍，試件萌生的微觀裂紋加速擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)能量快速增加，活性很強(qiáng)，尤其是在趨于斷裂時(shí)刻，幅值在90dB以上，幅值最大達(dá)到了100dB，斷裂位置大致處于試件中心。幅度較高的事件的幅值中，在早期，主要分布在55～65dB；在中期，主要分布在45～55dB；在后期主要分布在65～100dB，中位數(shù)為80dB左右。

4 B610CF聲發(fā)射定位源強(qiáng)度分級(jí)的幅度推薦值

根據(jù)圖2中的應(yīng)力-位移(時(shí)間)曲線，可以劃分試件安全的應(yīng)力范圍和試件不安全的應(yīng)力范圍，劃分聲發(fā)射源強(qiáng)度等級(jí)時(shí)的幅度值a和b，a值考慮材料屈服時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的幅度值，參數(shù)b值的選取應(yīng)考慮劃分材料損傷嚴(yán)重程度的分界，例如頸縮斷裂階段。

根據(jù)屈服階段幅值較高的聲發(fā)射事件幅值主要集中在55～73dB，中位數(shù)在65dB左右，因此a值取為65dB。

對(duì)緊縮破壞階段幅值不低于65dB的聲發(fā)射事件幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，中位數(shù)為80dB左右，其均值為82dB，因此b值可以保守地取為80dB。

5 結(jié) 論

對(duì)水電站常用600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼試樣拉伸試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了聲發(fā)射檢測(cè)，通過(guò)對(duì)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：

a. B610CF和07MnMoVR鋼的拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變(位移)沒(méi)有明顯的屈服階段。

b.拉伸過(guò)程不同階段聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)分布有很大的不同。在彈性變形階段，聲發(fā)射信號(hào)幅值較小，事件數(shù)隨著時(shí)間(載荷)近似線性增大。在屈服階段，事件數(shù)隨著時(shí)間(載荷)近似均勻增加，產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號(hào)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的活性和較高的強(qiáng)度。強(qiáng)化階段事件數(shù)隨著時(shí)間(載荷)緩慢增加，事件率逐漸變小，該階段源的活性不及屈服階段，強(qiáng)度與屈服階段接近一致。頸縮及斷裂階段早期，聲發(fā)射信號(hào)量相對(duì)較多，信號(hào)幅值也較大；在中期，聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)量和幅值出現(xiàn)了回落，相對(duì)較穩(wěn)定；在后期，事件數(shù)隨著時(shí)間快速增加，即事件率快速變大，活性很強(qiáng)，尤其在趨于斷裂的瞬間，聲發(fā)射事件數(shù)陡增，強(qiáng)度非常大。

c. 600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼聲發(fā)射檢測(cè)源強(qiáng)度分級(jí)幅度值界限a和b分別取值65和80。