分析声发射技术在金属材料检测中的应用

杨启新

摘要：社会主义市场经济的高速发展，为我国工业化进步提供了坚实的基础，近年来各种各样的金属材料加工、检测工业在短时间内取得了阶段性发展成果，与之相配套的检测技术自然也不断成熟，尤其是声发射技术更是如此。该文就根据实际情况，在简单介绍声发射技术的基础上，对声发射技术在金属材料检测中的应用问题、应用方向进行了研究。

关键词：声发射 金属材料加工 金属材料检测 检测技术

中图分类号：TB302.5      文献标识码：A

Analysis of the Application of Acoustic Emission Technology in Metal Material Testing

YANG Qixin

（Guangxi Zhuang Autonomous Region Institute of Product Quality Inspection， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530007 China）

Abstract： The rapid development of the socialist market economy has provided a solid foundation for China's industrialization progress. In recent years， various metal material processing and testing industries have achieved phased development results in a short period of time， and the matching detection technology is also naturally maturing， especially acoustic emission technology. Based on the actual situation and a brief introduction of acoustic emission technology， this paper  studies the application problems and directions of acoustic emission technology in metal material testing.

Key Words： Acoustic emission; Metal material processing; Metal material testing; Testing technology

声波广泛地存在于日常生活当中，属于一种常见的能量传播形式，而金属材料更是工业生产中不可或缺的重要材料之一，它具有声发射不可逆的特点，在这一特性的作用下，借助声波对金属材料进行结构检测，往往能取得比较可观的效果。但是与此同时也必须要看到，声发射技术与金属材料检测相结合，仍然存在在压力容器检测中的应用不够精准、针对金属部件疲劳损伤检测应用不足等一系列问题，对本课题进行深入研究，是解决问题、提升声发射技术应用价值的不二之选。

1声发射技术概述

1.1基本概念

声发射技术并不是十分新颖的技术手段，它能够从根本上提升金属检测的效率和准确度，是一种金属材料内部迅速释放能量而产生的瞬态弹性波（声波）时所产生的物理现象，在金属材料内部结构破损开裂的情况下，其形成的弹性波形将会与正常情况下的弹性波形存在巨大的差异，工作人员可借助声信号接收设备等确定弹性波形的情况，并以此為基础对金属材料进行动态、无损检测。另外一个需要提到的概念为发射源，所谓的发射源指的是声发射材料的物理源点、发生声发射波的机制源，其主要承担发生弹性声波的作用，其声发射频率可以从几十赫兹覆盖到上兆赫兹，能够对金属材料内部塑性形变、错位移动、基体破裂、纤维断裂等情况进行准确的精细化检测。从实际应用情况来看，声发射技术具有整体性、动态性、实时性的优势，和其他金属检测技术比较起来，不浪费时间、不浪费人力资源，具有比较可观的应用价值[1]。

1.2检测原理

声发射技术在金属材料检测中的应用，是金属材料检测技术的又一次突破，金属材料内部结构出现变化的情况下，其发声频率会发生变化，工作人员可以借助信号接收装置进行识别，这与日常生活中物体振动产生的人能听到的声音有一定的相似之处，二者的区别在于金属材料发生塑性变形或断裂时出现声发射信号比较微弱，人耳无法听到，而在借助灵敏度较高的电子仪器进行接收的情况下，其声波变化将会以图像等形式显示出来，工作人员可据此判断金属材料内部结构的具体情况。相比于其他的金属材料检测技术，声发射检测技术具有动态化、无损化的优势，在进行金属材料检测、缺陷识别的过程中，不会对金属材料本身造成进一步的损伤，同时其还具有动态识别能力，即在金属材料内部结构问题不再发生变化的情况下，其不会产生声发射现象，但是在金属材料内部缺陷进一步扩展的情况下，声发射信号会持续存在，工作人员可借此判断金属材料内部结构问题的严重程度等。另外，发射检测技术可以将检测内容转化为电信号，再通过电子仪器对电信号的频率、声段等特征进行解释分析，进而了解金属材料结构内部的缺陷变化，整体的应用价值非常可观，目前已经得到越来越多的认可和重视[2]。

1.3技术特点

声发射检测技术具有比较可观的应用价值，能够对声发射源的部位进行确认，并分析声发射源的性质、确定声发射发生的时间与荷载等，在技术人员的不懈努力下，这一技术正在不断更新换代中，与金属检测的需求越来越匹配。在实际工作中，工作人员需要对超标声发射源进行二次无损检测，即利用其他无损检测法来进行局部复检，避免检查误差等问题的同时，进一步确定金属材料缺陷的性质与大小等，而声发射技术正是最常用的二次检测技术之一，它通过对被测物体的能量检测而得到检测结果，可以快速得出金属材料内部线性缺陷检查结果，对于外力作用导致的结构问题也能第一时间给出识别结果，即使是在时间、温度、载荷等条件发生变化的情况下，声发射技术也能实现金属材料检测目标[3]。

1.4检测仪器

声发射技术在金属材料检测中的应用，有效地提升了金属材料检测效率，解决了常规检测技术存在的一系列问题，而在长时间使用以后，声发射的相关仪器设备必然会出现示数不准等问题，此时工作人员就需要对其进行校准处理。校准工作可借助专用的电子信号发声器进行，使电子信号发生器（见图1）产生标准函数的电子信号等，并传输到检测设备当中去，根据仪器设备输出的信号数值判断其是否存在质量问题。比如：根据GB/T18182-2000标准的有关内容，仪器门槛精度应控制在±2dB范围内、处理器内的幅度测量电路测量精度为±2dB，另外其信号能量的动态范围应不低于40dB，如果仪器设备性能不符合有关要求，其在金属材料检测中将很难发挥应有的作用。从目前来看，金属检测工作中常见的声发射技术仪器主要可以分成单通道声发射检测仪器、多通道声发射源定位设备、数据分析设备等，其中任何一个仪器设备出现问题，声发射技术在金属材料检测中的应用效果都会大打折扣，因此工作人员必须要做好仪器设备管理工作并进行一系列检测校准，使之在金属材料检测中发挥更大的作用[4]。

2声发射技术在金属材料检测中的应用问题

2.1机械制造过程的声发射检测技术应用不够全面

金属材料检测工作本身有一定的复杂性，工作人员应根据机械装置的应用特点进行检测，才能得出最准确的结果，才能为机械制造提供技术优化建议，然而从实际情况来看，声发射技术在机械制造过程中并没有发挥出应有的作用，很多工作人员在制定声发射技术应用方案的时候，忽略了机械制造技术的特殊性，未能使声发射技术在机械加工部件方位确定及状态监管方面发挥应有作用。同时，声发射技术本身存在的一些不足之处，也影响了其在金属部件加工中的应用效果，比如说在机械制造参数发生变化的情况下，如何调整声发射数据，就是工作人员必须要研究的问题。另外，即使声发射技术能够准确地检测到金属材料在机械加工中出现的问题，其产生的信号也无法被全面接收并得到应用，这也是声发射技术在金属材料检测中的应用问题之一。

2.2声发射技术在压力容器检测中的应用不够精准

壓力容器是工业生产中十分常见的设备之一，对压力容器的性能、内部结构进行检测，是保证压力容器装置综合应用质量的必然选择，也是规避压力容器安全风险的有效手段。然而从实际情况来看，声发射技术本身的特点决定了其很难对压力容器形态及体积等因素进行有效识别，利用声发射技术对压力容器进行测试的过程中，如果不能了解压力容器内部结构特征，最终得出的检测结果将不具有参考价值。除此之外，目前技术人员将声发射技术研究重点放在了提升发射效果、提升接收敏感度方面，忽略了其与水压试验等技术的融合问题，这使得其在检测压力容器的过程中，无法为射线探伤和超声探伤等工作提供技术性支持[5]。

2.3声发射技术在金属部件疲劳损伤检测应用不足

金属部件的疲劳损伤问题广泛存在，在长时间使用以后，金属部件会产生金属疲劳，其使用性能也会随之大幅度下降，利用无损检测技术对金属部件疲劳程度进行检测，是保证金属部件得到最大化利用的必然手段。然而受到技术体系还不成熟等问题的影响，声发射技术在识别机械噪声、内部裂痕方面无法发挥应有的作用，工作人员自然也很难据此判断金属疲劳的程度。另外，声发射技术还存在无法对金属材料微观结构进行精细化考察的问题，即使勉强利用其进行金属疲劳检测，也无法准确识别塑形积累问题，不能对金属疲劳情况进行准确判断。从某种意义上来说，目前的声发射技术只能提供金属密度识别等方面的支持，而对金属疲劳这一类比较细小的内部问题无法准确识别，即使勉强为之得出来的结果也无法作为判断标准。

2.4金属部件缺损问题的控制技术不够完善

声发射技术本身的应用价值比较可观，但是针对金属材料内部围观结构的检测能力相对有限，实际上，声发射技术在金属材料检测中的应用，始终存在金属部件缺损控制效果不佳的问题，这严重影响了金属材料检测效率。为了解决这个问题，技术人员根据声发射技术的相关原理，不断探索对金属材料特性进行分析的方式，从目前来看，有一部分技术人员在这方面已经取得了突破，但是总体来说，声发射技术仍然很难对金属材料缺损等问题进行有效检测，更谈不上以此为基础进行缺损控制[6]。

3声发射技术在金属材料检测中的应用方向

3.1塑性形变检测

金属材料是工业生产乃至于日常生活中最常用的材料之一，其具有强度高、硬度高等一系列优势，但是在受到外力作用时、内外温差过大的情况下，其内部结构也可能发生一定的变化，进而出现开裂、变形等质量问题。在这个过程中，金属材料微观层面会产生松弛应力，并通过应力波的形式将能量释放出来，最终表现为声发射现象。声发射技术主要就是对这一过程中产生的能量波形进行接收分析等，最终达到无损检测的目标。经过一段时间的研究与探索，声发射技术在金属材料检测中的应用已经比较成熟，特别是在塑性形变检测中更是发挥了不可替代的重要作用。比如：利用声发射技术对低合金钢进行塑性形变检测，就已经取得了比较可观的应用效果，低合金钢达到屈服极限之前发生的形变最为严重，产生的声发射信号也会达到峰值，利用声发射技术对其进行检测，能够得到准确精细的检测结果。金属材料的塑性形变比较常见，主要包括滑移、孪生两类表现形式，其中滑移指的是在切应力的作用下，金属材料部分分子沿着一定的滑移面和滑移方向相对另一部分分子发生相对移位的现象，而孪生指的是在切应力的作用下，分子的一部分以一定的孪生面为对称面和一定的孪生方向与另一部分分子发生相对切变的现象。二者进行对比可以发现，滑移所需能量小，比孪生出现几率更高，在金属材料内部结构无法滑移变形的情况下才会出现孪生现象，在孪生与滑移都无法实现的情况下，金属材料就会在外力作用下继续发生形变，从宏观角度可以体现为扭折等，而在声发射检测的过程中，滑移产生的信号往往具有连续性、孪生产生的信号则具有突发性，工作人员可据此判断金属材料内部塑性形变（如图2所示）的情况和种类。特别需要提到的是，很多金属材料在声发射现象之前都存在凯瑟效应，这可能会影响到塑性形变检测结果，工作人员可以在二次加载之前对金属材料进行热处理或静置处理，在其达到最大荷载之前必然会出现声发射，此时利用技术手段对其进行检测，往往能得到比较准确的结果。根据实际工作经验来看，塑性形变声发射检测结果会受到多方面因素的影响，金属自身的性质、材料分子组成结构等都会给最终的检测结果带来一定的影响，比如在金属材料当中包含一定量非金属夹杂物的情况下，其就可能会产生不同的声发射信号，再比如多晶体材料也可能影响其信号形态，工作人员应对这些影响因素进行考量，并以此为基础调整塑型检测手段[7]。

3.2断裂与裂纹检测

金属材料内部出现裂纹或断裂问题的情况下，其构件的结构性能必然会发生一定的变化，其安全性、使用性能等都会大幅度下降，为了保证金属构件的使用性能，必须要采用检测技术确定金属构件内部情况，而声检测技术则恰好能够对金属材料裂纹、断裂等问题进行实时化、动态化的检测，和传统的检测技术比较起来，声发射技术明显具有更突出的灵敏性和无损性强，因此得到了广泛认可。在工业化生产中，金属材料断裂并不少见，比如加工参数不合理、应力过大等情况比比皆是，在断裂以后其产生的声发射信号会比较特殊，与正常情况下的信号存在较大差异。比如在高强度钢这种金属材料当中，一旦材料荷载超出设计参数，其就会快速断裂并在材料裂纹的尖端会形成塑性区，该塑性区将会产生声信号，断裂越严重、材料内部振幅越大，声信号强度也就越大，但是在超高强度钢这种金属材料当中则不然，材料荷载超标的情况下其裂纹扩展量相对较小，这可能会影响到声发射信号的强度等，工作人员可根据不同金属材料的断裂特征，在材料发生断裂的瞬间收集瞬时应变能信号，并在此基础上得出准确的检测结果。

3.3压力容器的声发射捡测

总体来说，声发射技术具有比较可观的应用价值，其具有的整体性和动态性特点，使之能够更好地适应大型压力容器检测需求，目前欧美发达国家以及一些发展中国家纷纷建立了在役压力容器的声发射检测标准，对声发射技术在金屬压力容器检测中的应用进行研究，符合新时期技术发展的标准。通常情况下，为了获得更准确的检测结果，会通过声发射检测与定期水压试验同时进行的方式开展工作，与此同时还会借助射线探伤和超声探伤等常规方法确定压力容器结构完整性，进行检测的过程中，工作人员需要遵守有关流程，并对声发射信号的位置、强度等进行测量判断，进而确定压力容器缺陷的位置，最终即可得出压力容器整体安全性评价结果。特别需要提到的是，在接收到压力容器内部声发射信号以后，工作人员主要是根据通用声发射仪直接提供的特征参量进行判断，再详细分析声发射事件数、振铃计数、幅度、能量和平均电压等数据的基础上，确定最终的检测结果[8]。

3.4金属机械部件疲劳损伤的声发射检测

声发射技术在金属材料检测中的应用方向十分广泛，在金属机械部件疲劳损伤检测中，声发射技术同样有比较可观的应用价值。金属部件疲劳损伤并不少见，其所带来的后果往往比较严重，在飞机、航天器、桥梁和海上采油平台等重要设备的金属材料出现疲劳损伤的情况下，其必然会导致严重的安全事故，因此工作人员必须要充分发挥声发射技术的优势作用，及时识别金属疲劳问题。目前，利用声发射技术对金属材料疲劳损伤进行检测已经不再是天方夜谭，与之相配套的检测设备越来越成熟，这为工作人员提供了有力支持，而从检测结果来说，声发射技术的检测效率、检测准确度都比较可观。与此同时也必须要看到，声发射技术本质是通过声信号收集实现检测分析，在疲劳损伤信号与环境、机械噪声混杂在一起的情况下，现有设备很难顺利捕捉所需要的声信号，另外在金属材料形状比较复杂的情况下，即使准确地接收到了声信号，也无法对其进行故障定位，这也是声发射技术在金属材料疲劳检测中存在的问题之一，工作人员有必要结合实际工作经验和理论基础，进一步探索解决方法。

3.5声发射技术在金属材料检测中的应用趋势

声发射技术在金属材料检测中的应用效果毋庸置疑，但是受到技术体系不成熟、技术发展时间比较短等问题的影响，其目前仍然存在一定的不足之处亟待解决，结合技术人员现有的研究方向来看，未来一段时间内，声发射技术在金属材料检测中的应用趋势主要包括以下几个方面。

第一，声发射技术在机械制造检测领域的应用全面性不断提升。声发射技术属于比较先进的无损检测技术之一，但是目前其在机械制造过程中的检测能力还比较有限，在这种情况下技术人员有必要对金属部件机械制造工艺进行深入研究，使声发射技术的应用可以更加全面地适应金属物件的状态检测需求，保证声发射技术在金属材料检测中的应用效果。另外，目前金属装置精密加工技术已经非常成熟，充分考虑精加工与无损检测相结合的方法，是未来提升声发射技术应用效果的必然方向。同时，还需要对复杂形状金属部件内部定位的方式进行研究，使声发射技术在金属材料检测中发挥更全面的作用。第二，声发射技术在压力容器检测中的应用精准性将会不断提升。声发射技术的基本原理并不复杂，之所以无法在复杂压力容器检测中发挥作用，很大程度上是因为压力容器本身的结构特征影响了声发射技术的信号判断及识别，因此在今后的发展中，技术人员必将会着力于提升声发射技术的适应性。同时，考虑到目前声发射技术有关检测标准和流程还不清晰，可能影响压力容器检测结果，尽快完善有关技术流程和行业标准，也是未来应用发展的重要方向。第三，声发射技术在金属部件缺损方面的应用质量将会有效提升。金属材料检测工作，最主要的目标就是及时发现其中存在的缺损情况，并对其进行处理、避免不必要的使用风险，将声发射技术应用到金属材料检测中，能够及时准确识别金属部件内部结构缺损问题，在今后的发展中，技术人员应结合金属部件缺损的严重程度、危害程度等，制定具体的声发射技术的应用方案，并建立有针对性的检测结果应用体系，根据声发射信号检测结果给出金属部件处理建议等，通过定期的金属部件检测延长金属部件安全使用时间。

4结语

党和政府高度重视我国技术研发工作，为技术研发提供了政策资金等多方面的支持，而技术人员也确实不负众望，在许多先进技术领域当中取得了突破性进展，针对金属材料的无损检测技术，就是技术研究的极佳成果。声发射技术能够对金属材料塑性变形、结构缺陷等进行准确检测，保证了金属压力容器、金属构件的检测效果，具有不可估量的应用价值，在今后的工作中，必须要以声发射技术在金属材料检测中的应用问题为出发点，进一步尝试探索更先进的声发射技术手段。

参考文献

[1]魏强. 基于声发射技术的海洋工程管道疲劳裂纹识别方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2020.

[2]叶杨. 声发射技术在直升机旋翼桨叶损伤识别中的应用研究[D].南京：南京航空航天大学，2020.

[3]周晓泉. 基于声发射技术研究Q235热轧带钢氧化铁皮的破裂失效机理[D].太原：太原科技大学，2020.

[4]刘琪华. 基于声发射技术的储罐罐底腐蚀状况检测及评价方法研究[D].天津：天津大学，2020.

[5]程子靖. 基于CNN-LSTM网络的金属材料损伤趋势预测研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2021.

[6]程子靖，于洋. 金属材料损伤趋势预测研究[J]. 电子世界，2021（12）：19-20.

[7]黄治伟，黄振峰，郭珊珊等. 基于声发射技术实时监测金属空蚀过程的超声空蚀实验装置的研制[J]. 装备制造技术，2021（11）：113-115，125.

[8]贾斌. 声发射技术在金属材料检测中的应用研究[J]. 中国设备工程，2022（7）：102-103.