防喷器材料在拉伸过程中的声发射信号特性

戴 光，朱 磊，赵俊茹，姚鸿滨

（1.东北石油大学 声发射检测与结构完整性评价实验室，大庆 163318；2.大庆钻探钻技一公司，大庆 163318）

声发射（AE）可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，声发射作为一种非破坏评价技术已广泛应用于许多领域。声发射信号表示一个或多个声发射事件经传感器接收并经系统处理后以某种形式出现的电信号［1］。声发射的源机制各式各样，不同的源机制对应不同的发射声波，因而也对应不同的声发射信号。声发射是正在扩展的材料缺陷（裂纹）表现出来的一种物理现象，没有塑性变形和扩展，裂纹或材料的缺陷处于静止状态，就没有能量的重新分配，也就没有声发射［2－3］。大多数研究者用标准声发射参数（如峰幅值和能量等）区分不同的破裂机制［4］。

文章对防喷器材料裂纹试件在拉伸断裂过程中的声发射信号进行研究，运用声发射参数分析方法对防喷器材料裂纹试件的声发射历程图进行分析，得出防喷器材料在拉伸过程中的损伤类型以及各损伤阶段所呈现出来的声发射特性。

1 试验研究

1.1 试件制作

拉伸试验采用防喷器材料ZG25CrNiMo加工制作的试件，其形状如图1所示。为了防止噪声干扰，减小应力集中等现象的发生，试件经特殊设计制成，在试件中间位置处预制裂纹，保证试件拉伸过程中在预制裂纹处断裂。试件直径为φ10mm，裂纹深度L为1，2，3mm。

图1 拉伸试件图

1.2 试验装置

声发射试验系统如图2所示。采用美国PAC公司生产的PCI－2声发射检测分析仪，WD宽带传感器、2／4／6前置放大器。将传感器固定在试件两端，真空脂作为耦合剂，保证传感器和试件接触部分充分耦合，能够准确接收到声发射信号。

图2 声发射数据采集系统

1.3 试验过程

在拉伸试验之前，用0.5HB铅芯，伸长2.5mm，与试件成30°夹角进行数据采集系统的标定。校正步骤之后，确定声发射仪器能在试件拉伸过程中采集到声发射信号。

拉伸试验在SANS100KN全数字化微机控制电子万能试验机上进行，试件的拉伸速度为0.7mm／min。拉伸直至试件断裂，同时记录拉伸过程中产生的声发射信号。

2 裂纹缺陷试件声发射信号分析

通过对直径φ10mm，裂纹深度为1，2，3mm试件的拉伸过程的应力－应变曲线（图3）对比分析可知，不同试件拉伸过程中的应力－应变曲线变化过程，表现出相同的变化形式，不同试件在几乎相同的时间段内表现出相同的趋势，只在拉伸过程中的试件断裂时间上存在差别。文章以直径φ10mm，深度为2mm缺陷试件进行声发射信号的数据分析。

图4～6为防喷器材料ZG25CrNiMo裂纹缺陷试件拉伸损伤过程中的声发射历程图，分别是试件拉伸过程的声发射信号幅值与时间分布图、累积撞击数与时间曲线图，累积振铃计数与时间曲线图。对应力－应变曲线图的分析可以看出，ZG25CrNiMo材料拉伸损伤破坏发展过程基本上分为4个阶段。在整个试件拉伸破坏过程中，声发射信号产生的幅值基本分布在40～65dB。

第一阶段为裂纹尖端开裂阶段（Ⅰ区）。从图中可以看出，此阶段的声发射信号数较少，这说明此阶段材料并没有产生明显破坏，少量的低能量信号来自于试件与两端夹具在加载过程中摩擦所产生的机械噪声。在这一阶段也出现了部分幅值偏大的信号，可能是试件预制缺陷在拉伸过程中受外载而产生开裂的结果。

第二阶段为裂纹微开裂阶段（Ⅱ区）。此阶段声发射累积振铃计数和累积撞击计数增加现象明显，声发射信号的幅值也有所增加，材料损伤开始加剧。此阶段的损伤主要来自于第一阶段预制裂纹等损伤形式进一步开裂，在预制裂纹尖端处形成较多的声信号。

第三阶段为裂纹宏观开裂阶段（到材料整体失效前，Ⅲ区）。此阶段的声发射信号各参数增长幅度较大，这表明材料内部因裂纹的宏观开裂，导致预制裂纹发生失稳性扩展，产生大量声发射信号。

第四阶段为试件整体失效阶段（试件断裂瞬间，Ⅳ区）。试件中的晶格大量破裂损伤，声发射信号的幅值有明显的增加，此时试件整体处于失效阶段，但是声发射信号较少，能量较低。

通过对不同损伤阶段的比较可知，在裂纹尖端开裂阶段有少量的声发射信号，且材料的变化过程相对稳定；在裂纹微开裂阶段，只有较少的高幅值信号出现，材料本身没有发生大的破坏；在裂纹宏观开裂阶段，大量高幅值信号的出现表明试件材料在此阶段的破坏程度最重；在失效阶段，防喷器材料发生不可逆的破坏，直至试件断裂。

3 声发射信号参数及频谱分析

由声发射仪器采集的防喷器材料试件拉伸变形过程产生的声发射信号，对采集到的信号进行小波去噪，对不同阶段的典型信号进行研究。

图7～9给出直径为10mm，缺陷深度为2mm的试件不同拉伸阶段的波形图以及频谱图，通过对不同阶段的波形图和频谱图分析可知：防喷器材料ZG25CrNiMo预制裂纹缺陷试件在拉伸过程中损伤产生的声发射信号的频带分布较宽，主要集中在80～350kHz范围内，主要有3个频带。在裂纹尖端开裂阶段时的信号频率峰值小；在裂纹微开裂阶段的材料变形过程较复杂；在裂纹宏观开裂阶段持续时间最长，主要是在此阶段试件内部损伤加剧，材料内部产生大量的破坏，而且信号的频率峰值最高。

4 结论

（1）通过试验，运用声发射参数分析法对防喷器材料预制裂纹试件的声发射历程图进行分析，得出在拉伸过程中的各阶段所呈现出的特性。

（2）防喷器材料预制裂纹试件在受外力作用时，在预制裂纹尖端产生塑性变形；随着试件进入裂纹微开裂阶段，预制裂纹的微扩展变成宏观扩展直至试件整体失效断裂。

（3）不同阶段声发射信号频谱的频带宽度存在较大不同，且不同阶段的频谱峰值差别较大。

［1］陈玉华，刘时风，耿荣生，等.声发射信号的谱分析和相关分析［J］.无损检测，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，Frederick J，et al.Acoustic emission based tension characteristics of sandwich composites［J］.Composites Part B：Engineering，2004，355（1）：63－571.

［4］邓勇刚，林发权，张利红，等.AET技术在油田防喷器检测中的应用［J］.钻采工艺，2009，32（2）：83－84.