水电站常用600MPa级钢声发射源强度分级的幅度界限值

(1.北京中水新华灌排技术有限公司，北京 100032；2.江河机电装备工程有限公司，北京 100071；3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

1 前 言

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission,AE)。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。声发射检测技术就是用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术。

声发射检测技术用于水利水电工程水工金属结构及机械设备载荷试验的实时在线动态检测[1-4]，可以对结构的整体安全性进行评估及预警。我国制定了《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》(GB/T 18182—2012)[5]，在该标准中关于声发射源强度划分采用幅度参数时，仅仅推荐了低合金钢16MnR材料的分级参数a和b的值(强度b为高强度)。其他材质的强度分级a、b值，未给出，需要通过试验获得。

国内的有关标准已经给出了Q235、Q345强度级别的低合金钢和灰口铸铁HT200的AE源强度分级的幅值(a和b)界限[7-8]。由常见碳钢和低合金钢材料制造的容器或构件，由于材料特性相似，这些幅值界限参数可以作为参考。但近年来，600MPa级及以上强度的高强钢在水工金属结构尤其是压力钢管、钢岔管、机组蜗壳中应用比例逐渐增加，这些高强钢的材料特性与低合金钢差异较大，应用标准推荐的参数与实际情况相差很大。

因此，研究600MPa级高强钢水工金属结构声发射检测源强度分级幅度界限，对该类结构声发射检测应用具有重要的意义。

水利水电工程中常用的两种600MPa级高强钢为B610CF和07MnMoVR，其为抗拉强度(Rm)大于或等于610N/mm2级容器用高强钢，两种钢材具有一致的化学成分和强度。具有优秀的力学、机械性能和较低的焊接裂纹敏感性。

本文研究了该两种牌号钢材结构件声发射检测时的活性和强度特性，试验得到了声发射定位源强度分级的幅度推荐值，其成果为水利行业声发射检测标准[9]的起草编制奠定了基础。

2 试验简介

2.1 拉伸试验的设置

拉伸试验中采用的B610CF和07MnMoVR两种牌号的板状试样，工件几何尺寸见图1。

图1 拉伸板状试件的几何尺寸 (单位：mm)

5块材质为B610CF和5块材质为07MnMoVR的同样尺寸的拉伸试样的应力-位移(或应力-时间)曲线数据和声发射试验数据分析结果显示，虽然10个试样的强度略有不同，对应的声发射事件本身不具有重复性，导致10个试样的试验数据存在细微差别，但是试样试验数据的宏观统计特性(如声发射事件的强度和活性等)相似。

其中一块试样的力学性能和化学成分如表1所列。

表1 B610CF的力学性能和化学成分

拉伸试验的实施根据标准《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)来执行，拉伸试验采用的是微机控制电液伺服万能试验机，型号为WAW-1000，最大加载载荷可达1000kN，试验过程中的加载采用位移加载方式，加载速率为1mm/min，采用一次加压循环方式，连续加载至试件断裂(见图2)。

图2 拉伸试验的应力-位移曲线

该试件的抗拉强度Rm、0.2%规定残余延伸强度RP0.2分别为700MPa、660MPa，上、下屈服强度ReH和ReL接近相等，为580MPa。

2.2 声发射试验的设置

声发射检测采用AMSY-6型38通道声发射检测系统，其最大数字化频率为10MHz，最大时间精度为0.1μs。传感器为VS150-RIC型高灵敏度压电传感器，共振频率为150kHz，频率范围为100～450kHz，内置增益为34dB的前置放大器，选择25～850kHz的带通滤波器；闸门阈值设置为40dB(见表2)。图3为该型传感器的频率响应曲线,图3中横坐标VS150-RIC表示传感器的型号，f表示频率，单位为kHz，纵坐标表示灵敏度，单位为V/μbar。

表2 声发射系统工作参数设置

图3 VS150-RIC型传感器的频率响应曲线

监控中采用线性时差定位方法，两个传感器对于试件中心位置呈对称放置，且置于板材的同一侧，坐标分别为x=-70mm，x=70mm，即1号(-70，0),2号(70，0)，检测的整个过程均进行波形数据的采集。

3 拉伸试验过程声发射信号分析

由于试件拉伸曲线中没有明显的屈服阶段，可以通过测量出的抗拉强度Rm、0.2%规定残余延伸强度RP0.2、上(下)屈服强度ReH(ReL)来将其划分为4个阶段，弹性变形阶段为0～580MPa、屈服阶段为580～660MPa、强化阶段为660～700MPa、颈缩破坏阶段为700MPa至结束，在应力-位移(时间)曲线上分别对应于0～489s、489～597s、597～770s、770～1034s(持续时间分别为489s、108s、173s、264s)，最后断裂的位置大致位于试件中间部位。图4为有关的声发射参数分布图，图4(a)中横坐标线性定位的x轴坐标系，单位为mm，纵坐标表示声发射事件的幅值，单位为dB；图4(b)中横坐标表示时间轴，单位为s，左纵坐标表示声发射事件的幅值，单位为dB，右纵坐标表示累计撞击数，单位为个。

由以上参数图可以看出，主要的声发射定位源在两探头附近及试件的中间位置(断裂部位)。

采用声发射线性时差定位时，两探头连线延长线上的声发射源会被定位计算到邻近的探头附近；而试件夹持位置在两探头连线段延长线上，因此探头附近的定位主要是由于拉伸初期(弹性变形早期) 来自于试件和夹具之间的咬合、滑移、摩擦产生的机械噪声信号产生的定位。由于试件断裂在中间位置，滤掉探头附近区域的信号，只分析试件中间区域附近的信号(-55～55mm区间)。图5为试件中间区域附近有关声发射参数图，图5中横坐标表示时间，单位为s，左纵坐标表示声发射事件的幅值，单位为dB，右纵坐标表示累计声发射事件数，单位为个。

图4 整个拉伸阶段AE参数

图5 幅值与时间相关图及声发射事件随时间经历(试件中区附近区域)

弹性变形阶段，声发射源区的声发射事件随着升压较均值增加，比较稳定，试件处于安全状态。从定位事件的幅值分布可以看出，定位源的信号中较大的幅值主要集中在50dB以下，最大幅值小于65dB。

屈服阶段，会产生大范围的塑性变形，材料内部晶格发生很大的变化，位错加剧，位错密度增加，位错滑移和位错雪崩使得材料塑性变形的能量释放，因此产生了大量的声发射信号，事件数随着时间近似均匀增加(事件率接近一个常数)，表现出很强的活性和强度。幅度较高的事件的幅值主要分布在55～73dB，中位数为65dB左右。

强化阶段，随着载荷的增加，塑性变形加剧，材料开始硬化，位错运动的自由度大大减少，塑性变得很差，该阶段仍有大量的声发射信号产生，但是事件率逐渐变小，该阶段定位源的活性不及屈服阶段，且声发射信号幅值出现了短暂的回落。即整体的活性和强度要弱于塑性变形阶段。幅度较高的事件的幅值主要分布在55～68dB，最大值为68dB。

颈缩破坏阶段，材料发生颈缩后，材料内部的变形由原来的单向拉伸变成了三向拉应力状态，此时产生极大的塑性变形，位错运动的自由度极大减少，塑性变得极差，位错塞积和位错纠缠相当严重，进一步塑性变形量有限，处于有利于滑移位向的位错极少，位错的滑移距离也很短。因而，在颈缩早期的裂纹萌生阶段，声发射信号量相对较多，信号幅值也较大；在中期，声发射信号的数量和幅值出现了回落；而在接近断裂的一个极短时间范围，试件萌生的微观裂纹加速扩展，声发射信号能量快速增加，活性很强，尤其是在趋于断裂时刻，幅值在90dB以上，幅值最大达到了100dB，断裂位置大致处于试件中心。幅度较高的事件的幅值中，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，中位数为80dB左右。

4 B610CF声发射定位源强度分级的幅度推荐值

根据图2中的应力-位移(时间)曲线，可以划分试件安全的应力范围和试件不安全的应力范围，划分声发射源强度等级时的幅度值a和b，a值考虑材料屈服时声发射信号的幅度值，参数b值的选取应考虑划分材料损伤严重程度的分界，例如颈缩断裂阶段。

根据屈服阶段幅值较高的声发射事件幅值主要集中在55～73dB，中位数在65dB左右，因此a值取为65dB。

对紧缩破坏阶段幅值不低于65dB的声发射事件幅值进行统计，中位数为80dB左右，其均值为82dB，因此b值可以保守地取为80dB。

5 结 论

对水电站常用600MPa级高强钢试样拉伸试验过程进行了声发射检测，通过对有关试验数据的统计分析，得到如下结论：

a. B610CF和07MnMoVR钢的拉伸试验应力-应变(位移)没有明显的屈服阶段。

b.拉伸过程不同阶段声发射信号的特征参数分布有很大的不同。在弹性变形阶段，声发射信号幅值较小，事件数随着时间(载荷)近似线性增大。在屈服阶段，事件数随着时间(载荷)近似均匀增加，产生了大量的声发射信号，表现出很强的活性和较高的强度。强化阶段事件数随着时间(载荷)缓慢增加，事件率逐渐变小，该阶段源的活性不及屈服阶段，强度与屈服阶段接近一致。颈缩及断裂阶段早期，声发射信号量相对较多，信号幅值也较大；在中期，声发射信号的数量和幅值出现了回落，相对较稳定；在后期，事件数随着时间快速增加，即事件率快速变大，活性很强，尤其在趋于断裂的瞬间，声发射事件数陡增，强度非常大。

c. 600MPa级高强钢声发射检测源强度分级幅度值界限a和b分别取值65和80。