锆金属拉伸的声发射特性

张忠政,巩建鸣,梁 华

(1.南京工业大学,南京 210009;2.南京市锅炉压力容器检验研究院,南京 210002)

声发射技术作为一种先进的无损检测技术,在压力容器检测中得到了广泛的应用[1]。在声发射现场检测过程中,了解和掌握设备材料损伤过程中的声发射特性,对于分析判断设备结构完整性和安全性至关重要。当前对于碳钢和低合金钢等常用压力容器金属损伤的声发射特性研究较多[2],而对于近年来在核能、化工和航天等工业领域中得到重要应用的锆材声发射特性的研究很少。笔者在实验室对锆金属进行了拉伸试验过程中的声发射测试研究,为声发射技术的工程应用提供技术支持。

1 试样和仪器

试验采用纯锆Zr-3(R60702),根据GB/T 228-2002标准[3]制作母材和焊件两种试样。金属拉伸试验在Instron 5869试验机上进行,应用引伸计和横梁位移测量试样应变。试验过程中可记录应力、应变、时间和载荷等试验参数。试验用声发射仪为美国PAC公司生产的POCKET AE-2型2通道声发射系统,传感器型号为R15a/R6a型,中心频率为150 k Hz,可同时采集记录声发射信号参数、波形数据,并可存储、回放,还能用存储卡导出数据到计算机中,然后用AEwin for PCI2等PAC软件作进一步数据处理。

2 试验过程

根据GB/T 228标准进行拉伸试验,同时应用声发射仪对试样拉伸过程进行声发射测试。声发射源定位方式采用双传感器线性定位,两传感器沿试样长度方向在中心对称布置,两传感器中心相距70 mm。耦合剂采用真空脂,传感器用塑料胶带固定。声发射仪门槛值设置为45dB,试验过程中采集声发射信号参数和波形,采样频率为5MHz,每个波形记录1024个点,试验过程中门槛值设置为45 dB。拉伸试验采取控制加载点位移方式进行加载,加载速率为2mm/min。为减少拉伸试验开始时试件与夹具摩擦产生的噪声信号干扰声发射信号采集,试验开始前对试样进行了少量的加载处理。

3 试验结果和分析

3.1 试验结果

金属材料拉伸一般可分为弹性、屈服、强化和断裂4个阶段。试验根据Instron拉伸仪时间记录、应力-应变曲线及声发射仪时间记录对应关系,确定锆材拉伸过程中的这4个时间段,分阶段研究锆材拉伸时间历程中的声发射信号特性。在试验拉伸时间分段中,母材：弹性阶段(0～54.7542s),屈服阶段(54.7542～56.7542s),强化阶段(58.2542～645.2542s),断裂阶段(645.2542～656.7542s);焊件：弹性阶段(0～56.6142s),屈服阶段(56.6142～62.1142s),强化阶段(62.1142～335.6142s),断裂阶段(335.6142～367.6142s)。其中图1为试样应力-应变曲线,由图可知锆材拉伸过程的屈服阶段不明显。图2为声发射波形图,信号为典型的突发性信号。图3为试样声发射参数时间历程图,包括常用的撞击、幅度、能量和计数四个参数在拉伸过程中随时间变化的统计图。

3.2 声发射参数分析

3.2.1 撞击-时间历程图

弹性阶段初始没有撞击信号,随后出现撞击信号,撞击数量伴随时间快速增加。屈服阶段前后信号撞击数量急剧增加,撞击数达到历程图中极大值。强化阶段时间相对较长,信号撞击数目初始较高,随着时间增加逐渐减少,到断裂前降至最低。断裂阶段撞击信号突然急剧增加,但没有屈服时撞击数多,断裂随即发生,撞击信号急剧下降。母材和焊件试样撞击时间历程图曲线变化趋势相似,相比撞击数极值,母材大于焊件,强化阶段焊件撞击数变化较母材平缓。

3.2.2 幅值-时间历程图

对于母材,在弹性阶段和屈服前后阶段,大量信号幅度低于65dB,主要集中在55dB之下,少量信号高于70dB;在强化阶段,信号基本上也是以低幅度(＜60dB)为主,少量的信号幅度在60～80dB之间,个别信号幅度超过80dB;断裂阶段信号幅值突然增加,断裂瞬间达到100dB。对于焊件,弹性阶段、屈服阶段和断裂阶段幅值与母材类似;在强化阶段,与母材相比,除了低幅度信号为主外,高幅信号所占比例大大增加,大量信号分布在70～90dB之间,少量信号分布在90～100dB之间。

3.2.3 能量-时间历程图

拉伸过程中,在屈服阶段能量出现极值;断裂瞬间,能量快速释放,出现极大值,其余阶段能量较小。母材和焊件能量分布趋势曲线类似,另外焊件强化阶段有多个能量峰值体现。能量分布表明拉伸过程中在屈服阶段和断裂阶段是试样能量释放阶段。

3.2.4 计数-时间历程图

对于母材,在弹性阶段信号逐渐增加;在屈服阶段声发射计数急剧增加,达到一个极值;强化阶段逐渐减少,计数仍保持较高值;断裂阶段前期,计数值下降,后期计数信号急剧增加达到最高值,断裂瞬间达到极大值。焊件弹性、塑性和断裂阶段计数变化与母材类似,不同的是整个强化阶段过程声发射计数都维持在与屈服阶段相同的高水平。焊件强化阶段信号计数的高水平表明了焊接件由于焊接原因导致试样变脆,而脆性材料声发射更加活跃。

锆材拉伸过程中声发射参数变化过程反映了材料的损伤过程。金属材料拉伸过程中声发射源是位错的运动。弹性阶段前期,位错运动少,表现为几乎没有声发射信号;随着载荷增加,位错被迅速发动,声发射撞击和计数等参数增加,但位错运动比较顺畅,声发射能量、幅度参数较小。塑性变形时,位错运动量达到最大,滑移变形、孪晶变形等现象发生[4],应力发生再分布,产生了频繁的声发射信号,计数、撞击、能量和幅度达到峰值。强化阶段时,随着变形的增加,位错滑移变得受到阻碍,发生位错堵塞,需要更大载荷发动堵塞的位错堆,声发射信号也相对减少。断裂阶段,随着载荷增加,大量位错堆积被拉动,位错群急剧运动,声发射信号急剧增加,材料瞬间发生断裂,释放出巨大能量,声发射信号参数达到极大值。与母材相比,焊件拉伸应变较小,很多能量在强化阶段得到了释放,因此焊件在强化阶段产生了相对较多的声发射信号。

比较参数描述材料的损伤过程,发现撞击参数更准确地描述了拉伸过程中锆材损伤过程。这种表征在设备声发射检测中的安全预警和损伤判断具有重要工程应用价值。

3.3 波形分析

近20年来,声发射技术除经典参数分析方法外,基于波形的信号处理方法得到了应用,如信号频谱分析和小波分析等。笔者通过分析试样拉伸过程中弹性、塑性、强化和断裂四个阶段的典型波形数据频谱图,研究试样各个拉伸阶段的频率特征。数据处理应用Matalab软件,典型频谱图见图4。

由信号频谱图可知,锆材拉伸过程中声发射信号频率主要分布在0～500 k Hz,其中132 k Hz处幅值最大,为锆材拉伸过程损伤时声发射信号的中心频率。根据试验结果,探头频率选在130 k Hz左右时检测灵敏度最高。对比锆材拉伸不同阶段频谱图,发现信号频率有增大现象,但规律性不明显,无法准确表征材料损伤特性。

4 结论

(1)锆金属拉伸过程不同阶段声发射常用参数特征不同,其中通道撞击数较好地表征了锆材拉伸过程不同阶段的损伤程度。

(2)声发射信号频谱分析表明,锆金属拉伸声发射信号频率在0～500 k Hz之间,中心频率为132 k Hz左右。

(3)锆金属拉伸母材和焊件声发射参数表征总体趋势类似。与母材相比,焊件在强化阶段释放能量多,该阶段焊件声发射信号数目较多,信号幅值较高。

研究结果对锆制设备现场声发射检测和监测时传感器频率选取、参数安全预警、信号分析和处理等方面具有重要参考意义。

图4 试样拉伸过程不同阶段信号频谱图

[1]沈功田,李金海.压力容器无损检测——声发射检测技术[J].无损检测,2004,26(9)：457-463.

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