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)檢測內(nèi)部結(jié)構(gòu)的根本性依據(jù)。伴隨計算機技術(shù)、信號處理技術(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)件在受力過程中，內(nèi)部會產(chǎn)生變形、裂紋等情況，會以彈性波形的形式表現(xiàn)出來，然后利用接受聲發(fā)射信號，可以對該反應(yīng)進(jìn)行動態(tài)、無損檢測。發(fā)射源是指聲發(fā)射材料的物理源點、發(fā)生聲發(fā)射波的機制源。如裂紋產(chǎn)生并擴展時，材料會出現(xiàn)塑性形變，發(fā)生錯位移動、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、動態(tài)性、實時性的特點，極大地節(jié)省了時間和人力，能夠在早期便發(fā)現(xiàn)故障，提前進(jìn)行破壞預(yù)報。

1.2 檢測原理

由于金屬材料在發(fā)生內(nèi)部變形時，會發(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)象會釋放出足夠強的應(yīng)變能，并伴隨人能聽到的聲音，如摔碎玻璃杯就會聽見噼啪聲，金屬材料發(fā)生塑性變形或斷裂時也會出現(xiàn)聲發(fā)射，但它所產(chǎn)生的發(fā)射信號強度較弱，人耳無法聽到，因此需要借助靈敏度較高的電子儀器才能檢測出來。利用儀器進(jìn)行檢測，分析金屬變形所發(fā)射的信號來推斷發(fā)射源的技術(shù)便被稱為聲發(fā)射檢測技術(shù)。聲發(fā)射檢測技術(shù)具有動態(tài)化、無損化的特點。即在對金屬材料或構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷進(jìn)行檢測時，能夠達(dá)到無損的目標(biāo)。聲發(fā)射檢測技術(shù)實際上是一項動態(tài)變化，如金屬裂紋便主動參與了檢測過程，如果金屬缺陷保持靜止?fàn)顟B(tài)，沒有發(fā)生變化或擴展時，便不會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，也無法進(jìn)行聲發(fā)射檢測。由此可延伸到，如果聲發(fā)射信號來源金屬內(nèi)部缺陷本身，則可以利用聲發(fā)射檢測技術(shù)來判斷缺陷的嚴(yán)重性。聲發(fā)射檢測技術(shù)的檢測內(nèi)容是電信號，電子儀器可以根據(jù)電信號的頻率、聲段等特征來解釋材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷變化，當(dāng)然，檢測人員也必須具備充足的專業(yè)知識與檢測手段。此外，聲發(fā)射的檢測環(huán)境往往會伴隨較強的噪聲干涉，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

聲發(fā)射檢測的目的為：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)生的時間與荷載、評定聲發(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)在金屬檢測中的應(yīng)用也更加廣泛。一般情況下，對于超標(biāo)聲發(fā)射源，需要利用其它無損檢測法來進(jìn)行局部復(fù)檢，以確保檢測的準(zhǔn)確性，明確缺陷的性質(zhì)與大小。聲發(fā)射技術(shù)是基于動態(tài)檢驗的角度下，通過對被測物體的能量檢測而得到檢測結(jié)果；該技術(shù)對線性缺陷比較敏感，它能探測因外力作用而導(dǎo)致的缺陷活動狀況，靜態(tài)缺陷不會產(chǎn)生發(fā)射信號；可以提供缺陷隨著外界條件的變化而變化，如時間、溫度、載荷等，信息具有實時連續(xù)性的特點，因此可以用于早期臨近破壞的檢測；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)射檢測的校準(zhǔn)包括在試驗室內(nèi)對儀器硬件靈敏度和一致性的校準(zhǔn)，在現(xiàn)場對已經(jīng)安裝好傳感器的整個聲發(fā)系統(tǒng)靈敏度和定位精度的校準(zhǔn)。對儀器的校準(zhǔn)需采用專用的電子信號發(fā)聲器來產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的電子信號，直接輸入前置放大器活儀器的主放大器。對現(xiàn)場已經(jīng)安裝好傳感器整個聲發(fā)系統(tǒng)靈敏度和定位精度的校準(zhǔn)應(yīng)用在被檢測金屬材料上可發(fā)射機械波的模擬聲發(fā)射信號。

1.4 檢測儀器

對儀器硬件系統(tǒng)的校準(zhǔn)直接采用專用的電子信號發(fā)聲器來產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的電子信號直接輸入前置方法器或儀器的主放大器，來直接測量儀器采集這些信號的輸出。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)的幅度測量電路測量精度為±2dB，處理器內(nèi)的能量測量信號精度為±5%，同時滿足信號能量的動態(tài)范圍不低于40dB。聲發(fā)射技術(shù)在金屬檢測應(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)字測定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍現(xiàn)實系統(tǒng)等。

2 聲發(fā)射技術(shù)在金屬材料檢測中的應(yīng)用

在外力作用下，金屬材料的內(nèi)部會生成力場，并發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變。當(dāng)外力增加，應(yīng)變也會隨著增加，這個時候材料便會產(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以應(yīng)力波的方式傳輸，從而引發(fā)聲發(fā)射。

2.1 檢測塑性形變

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)對塑性形變的檢測應(yīng)用最常見的材料便是低合金鋼，在屈服極限附近，形變最大，聲發(fā)射信號也會出現(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另一部分分子發(fā)生相對移位的現(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稱面和一定的孿生方向與另一部分分子發(fā)生相對切變的現(xiàn)象?；扑枘芰啃。冃螘r優(yōu)先考慮，當(dāng)錯位在運動中因相互纏結(jié)而無法靠其實現(xiàn)變形，便出現(xiàn)孿生。當(dāng)兩類形變都難以實現(xiàn)時，便會在外力的繼續(xù)作用下發(fā)生扭折?；诼暟l(fā)射信號的角度來看，滑移屬于連續(xù)性信號，而孿生則為突發(fā)性信號。金屬材料在加工硬化階段會因為位錯密度的急劇提升而減少了位錯的可移動性，聲發(fā)射的動態(tài)變化也會減少。從物理概念上來講，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)超過之前所施加的最大應(yīng)力之前，沒有出現(xiàn)能夠被電子設(shè)備所探測的聲發(fā)射，則將其稱為凱瑟效應(yīng)。它對金屬塑性變形檢測具有關(guān)鍵意義，能夠判斷是否經(jīng)受過最大應(yīng)力。大多數(shù)金屬材料在進(jìn)行聲發(fā)射檢測時都會出現(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的時間，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出現(xiàn)聲發(fā)射。對塑性形變聲發(fā)射檢測結(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在檢測中增加形變時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。對于多晶體材料，聲發(fā)射信號也會隨著晶粒大小、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)等均會對材料的塑性變形帶來較大影響。

2.2 檢測斷裂與裂紋

金屬聲發(fā)射檢測技術(shù)的最初應(yīng)用便是對斷裂與裂紋的檢測，由于構(gòu)件內(nèi)部裂紋往往會產(chǎn)生極大的風(fēng)險，借助聲發(fā)射技術(shù)檢測可以在早期對裂紋變化進(jìn)行動態(tài)、實時檢測，并具有較高的靈敏性、無損性，因此是其他檢測技術(shù)無法相比的。應(yīng)項材料斷裂的因素較多，不同的斷裂環(huán)境所差生的聲發(fā)射信號也有很大差異。如高強度鋼受到荷載時，裂紋尖端會形成塑性區(qū)，并發(fā)射聲信號，裂紋逐步擴展，聲發(fā)射的動態(tài)變化也會增強，并差生較強的振幅。而超高強度鋼直至斷裂的這個過程也只產(chǎn)生少量的AE事件。因為該材料的裂紋擴展量較小，抑制了聲發(fā)射的活動性。斷裂往往是突發(fā)性變化，因此容易被檢測。高斷裂韌性金屬材料在受到平面應(yīng)力的作用時，一般會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)擴展會產(chǎn)生聲發(fā)射。

圖2 金屬構(gòu)件內(nèi)部裂紋