鋯金屬拉伸的聲發(fā)射特性

張忠政,鞏建鳴,梁 華

(1.南京工業(yè)大學(xué),南京 210009;2.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院,南京 210002)

聲發(fā)射技術(shù)作為一種先進(jìn)的無損檢測技術(shù),在壓力容器檢測中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在聲發(fā)射現(xiàn)場檢測過程中,了解和掌握設(shè)備材料損傷過程中的聲發(fā)射特性,對于分析判斷設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性和安全性至關(guān)重要。當(dāng)前對于碳鋼和低合金鋼等常用壓力容器金屬損傷的聲發(fā)射特性研究較多[2],而對于近年來在核能、化工和航天等工業(yè)領(lǐng)域中得到重要應(yīng)用的鋯材聲發(fā)射特性的研究很少。筆者在實(shí)驗(yàn)室對鋯金屬進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射測試研究,為聲發(fā)射技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試樣和儀器

試驗(yàn)采用純鋯Zr-3(R60702),根據(jù)GB/T 228-2002標(biāo)準(zhǔn)[3]制作母材和焊件兩種試樣。金屬拉伸試驗(yàn)在Instron 5869試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)用引伸計(jì)和橫梁位移測量試樣應(yīng)變。試驗(yàn)過程中可記錄應(yīng)力、應(yīng)變、時間和載荷等試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)用聲發(fā)射儀為美國PAC公司生產(chǎn)的POCKET AE-2型2通道聲發(fā)射系統(tǒng),傳感器型號為R15a/R6a型,中心頻率為150 k Hz,可同時采集記錄聲發(fā)射信號參數(shù)、波形數(shù)據(jù),并可存儲、回放,還能用存儲卡導(dǎo)出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中,然后用AEwin for PCI2等PAC軟件作進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。

2 試驗(yàn)過程

根據(jù)GB/T 228標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),同時應(yīng)用聲發(fā)射儀對試樣拉伸過程進(jìn)行聲發(fā)射測試。聲發(fā)射源定位方式采用雙傳感器線性定位,兩傳感器沿試樣長度方向在中心對稱布置,兩傳感器中心相距70 mm。耦合劑采用真空脂,傳感器用塑料膠帶固定。聲發(fā)射儀門檻值設(shè)置為45dB,試驗(yàn)過程中采集聲發(fā)射信號參數(shù)和波形,采樣頻率為5MHz,每個波形記錄1024個點(diǎn),試驗(yàn)過程中門檻值設(shè)置為45 dB。拉伸試驗(yàn)采取控制加載點(diǎn)位移方式進(jìn)行加載,加載速率為2mm/min。為減少拉伸試驗(yàn)開始時試件與夾具摩擦產(chǎn)生的噪聲信號干擾聲發(fā)射信號采集,試驗(yàn)開始前對試樣進(jìn)行了少量的加載處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

金屬材料拉伸一般可分為彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂4個階段。試驗(yàn)根據(jù)Instron拉伸儀時間記錄、應(yīng)力-應(yīng)變曲線及聲發(fā)射儀時間記錄對應(yīng)關(guān)系,確定鋯材拉伸過程中的這4個時間段,分階段研究鋯材拉伸時間歷程中的聲發(fā)射信號特性。在試驗(yàn)拉伸時間分段中,母材：彈性階段(0～54.7542s),屈服階段(54.7542～56.7542s),強(qiáng)化階段(58.2542～645.2542s),斷裂階段(645.2542～656.7542s);焊件：彈性階段(0～56.6142s),屈服階段(56.6142～62.1142s),強(qiáng)化階段(62.1142～335.6142s),斷裂階段(335.6142～367.6142s)。其中圖1為試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線,由圖可知鋯材拉伸過程的屈服階段不明顯。圖2為聲發(fā)射波形圖,信號為典型的突發(fā)性信號。圖3為試樣聲發(fā)射參數(shù)時間歷程圖,包括常用的撞擊、幅度、能量和計(jì)數(shù)四個參數(shù)在拉伸過程中隨時間變化的統(tǒng)計(jì)圖。

3.2 聲發(fā)射參數(shù)分析

3.2.1 撞擊-時間歷程圖

彈性階段初始沒有撞擊信號,隨后出現(xiàn)撞擊信號,撞擊數(shù)量伴隨時間快速增加。屈服階段前后信號撞擊數(shù)量急劇增加,撞擊數(shù)達(dá)到歷程圖中極大值。強(qiáng)化階段時間相對較長,信號撞擊數(shù)目初始較高,隨著時間增加逐漸減少,到斷裂前降至最低。斷裂階段撞擊信號突然急劇增加,但沒有屈服時撞擊數(shù)多,斷裂隨即發(fā)生,撞擊信號急劇下降。母材和焊件試樣撞擊時間歷程圖曲線變化趨勢相似,相比撞擊數(shù)極值,母材大于焊件,強(qiáng)化階段焊件撞擊數(shù)變化較母材平緩。

3.2.2 幅值-時間歷程圖

對于母材,在彈性階段和屈服前后階段,大量信號幅度低于65dB,主要集中在55dB之下,少量信號高于70dB;在強(qiáng)化階段,信號基本上也是以低幅度(＜60dB)為主,少量的信號幅度在60～80dB之間,個別信號幅度超過80dB;斷裂階段信號幅值突然增加,斷裂瞬間達(dá)到100dB。對于焊件,彈性階段、屈服階段和斷裂階段幅值與母材類似;在強(qiáng)化階段,與母材相比,除了低幅度信號為主外,高幅信號所占比例大大增加,大量信號分布在70～90dB之間,少量信號分布在90～100dB之間。

3.2.3 能量-時間歷程圖

拉伸過程中,在屈服階段能量出現(xiàn)極值;斷裂瞬間,能量快速釋放,出現(xiàn)極大值,其余階段能量較小。母材和焊件能量分布趨勢曲線類似,另外焊件強(qiáng)化階段有多個能量峰值體現(xiàn)。能量分布表明拉伸過程中在屈服階段和斷裂階段是試樣能量釋放階段。

3.2.4 計(jì)數(shù)-時間歷程圖

對于母材,在彈性階段信號逐漸增加;在屈服階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)急劇增加,達(dá)到一個極值;強(qiáng)化階段逐漸減少,計(jì)數(shù)仍保持較高值;斷裂階段前期,計(jì)數(shù)值下降,后期計(jì)數(shù)信號急劇增加達(dá)到最高值,斷裂瞬間達(dá)到極大值。焊件彈性、塑性和斷裂階段計(jì)數(shù)變化與母材類似,不同的是整個強(qiáng)化階段過程聲發(fā)射計(jì)數(shù)都維持在與屈服階段相同的高水平。焊件強(qiáng)化階段信號計(jì)數(shù)的高水平表明了焊接件由于焊接原因?qū)е略嚇幼兇?而脆性材料聲發(fā)射更加活躍。

鋯材拉伸過程中聲發(fā)射參數(shù)變化過程反映了材料的損傷過程。金屬材料拉伸過程中聲發(fā)射源是位錯的運(yùn)動。彈性階段前期,位錯運(yùn)動少,表現(xiàn)為幾乎沒有聲發(fā)射信號;隨著載荷增加,位錯被迅速發(fā)動,聲發(fā)射撞擊和計(jì)數(shù)等參數(shù)增加,但位錯運(yùn)動比較順暢,聲發(fā)射能量、幅度參數(shù)較小。塑性變形時,位錯運(yùn)動量達(dá)到最大,滑移變形、孿晶變形等現(xiàn)象發(fā)生[4],應(yīng)力發(fā)生再分布,產(chǎn)生了頻繁的聲發(fā)射信號,計(jì)數(shù)、撞擊、能量和幅度達(dá)到峰值。強(qiáng)化階段時,隨著變形的增加,位錯滑移變得受到阻礙,發(fā)生位錯堵塞,需要更大載荷發(fā)動堵塞的位錯堆,聲發(fā)射信號也相對減少。斷裂階段,隨著載荷增加,大量位錯堆積被拉動,位錯群急劇運(yùn)動,聲發(fā)射信號急劇增加,材料瞬間發(fā)生斷裂,釋放出巨大能量,聲發(fā)射信號參數(shù)達(dá)到極大值。與母材相比,焊件拉伸應(yīng)變較小,很多能量在強(qiáng)化階段得到了釋放,因此焊件在強(qiáng)化階段產(chǎn)生了相對較多的聲發(fā)射信號。

比較參數(shù)描述材料的損傷過程,發(fā)現(xiàn)撞擊參數(shù)更準(zhǔn)確地描述了拉伸過程中鋯材損傷過程。這種表征在設(shè)備聲發(fā)射檢測中的安全預(yù)警和損傷判斷具有重要工程應(yīng)用價值。

3.3 波形分析

近20年來,聲發(fā)射技術(shù)除經(jīng)典參數(shù)分析方法外,基于波形的信號處理方法得到了應(yīng)用,如信號頻譜分析和小波分析等。筆者通過分析試樣拉伸過程中彈性、塑性、強(qiáng)化和斷裂四個階段的典型波形數(shù)據(jù)頻譜圖,研究試樣各個拉伸階段的頻率特征。數(shù)據(jù)處理應(yīng)用Matalab軟件,典型頻譜圖見圖4。

由信號頻譜圖可知,鋯材拉伸過程中聲發(fā)射信號頻率主要分布在0～500 k Hz,其中132 k Hz處幅值最大,為鋯材拉伸過程損傷時聲發(fā)射信號的中心頻率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,探頭頻率選在130 k Hz左右時檢測靈敏度最高。對比鋯材拉伸不同階段頻譜圖,發(fā)現(xiàn)信號頻率有增大現(xiàn)象,但規(guī)律性不明顯,無法準(zhǔn)確表征材料損傷特性。

4 結(jié)論

(1)鋯金屬拉伸過程不同階段聲發(fā)射常用參數(shù)特征不同,其中通道撞擊數(shù)較好地表征了鋯材拉伸過程不同階段的損傷程度。

(2)聲發(fā)射信號頻譜分析表明,鋯金屬拉伸聲發(fā)射信號頻率在0～500 k Hz之間,中心頻率為132 k Hz左右。

(3)鋯金屬拉伸母材和焊件聲發(fā)射參數(shù)表征總體趨勢類似。與母材相比,焊件在強(qiáng)化階段釋放能量多,該階段焊件聲發(fā)射信號數(shù)目較多,信號幅值較高。

研究結(jié)果對鋯制設(shè)備現(xiàn)場聲發(fā)射檢測和監(jiān)測時傳感器頻率選取、參數(shù)安全預(yù)警、信號分析和處理等方面具有重要參考意義。

圖4 試樣拉伸過程不同階段信號頻譜圖

[1]沈功田,李金海.壓力容器無損檢測——聲發(fā)射檢測技術(shù)[J].無損檢測,2004,26(9)：457-463.

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