基于K均值聚類對Q345R鋼低溫拉伸的聲發射信號分析

龍飛飛，王 瓊，宋 陽，李 偉

（東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318）

聲發射檢測技術是一種新興的動態無損檢測，被廣泛應用于壓力容器的在線監測中［1］。金屬材料受到拉應力的作用時，內部的能量會聚集，當能量聚集到足夠大時會引起裂紋擴展或塑性變形從而產生聲發射現象，通過對聲發射信號特性分析可以判斷出材料的損傷程度、受力狀態等特性［2］。

脆性斷裂是金屬材料在低溫下的主要失效形式之一。金屬材料有足夠塵銳的缺口或缺陷時，在溫度低于脆性轉變溫度（NDTT）下就可能產生脆性斷裂，而且這種脆性斷裂的發生通常很突然［3］。Q345R鋼作為低溫常規用鋼，在壓力容器制造中被廣泛應用。筆者選用Q345R作為試驗材料，對其低溫下的拉伸聲發射特性進行試驗研究，分析其在低溫拉伸過程中的信號類型及脆性斷裂后的信號變化，驗證聲發射檢測技術對其在線檢測的實際應用意義。

1 試驗方法

試驗中加載設備選用瑞格爾有限公司制造的300kN微機控制全數字化電子萬能試驗機。Q345R鋼在常溫壓力容器制造時大多是用熱軋板材直接制成所需的制品，這時材料的脆性轉變溫度范圍較窄，熱處理對Q345R鋼脆性轉變溫度有很大影響［4］，筆者將拉伸試樣通過熱處理改變其脆性轉變溫度。拉伸試樣采用900℃正火處理，使晶粒細化，使試樣的脆性轉變溫度大致在－40℃～－50℃再進行拉伸試驗，以便于區分材料是否發生脆變。試件尺寸見圖1。試驗分別選取20℃，0℃，－20℃，－40℃，－60℃5組溫度進行拉伸試驗。

2 聲發射信號聚類分析

圖1 材料試樣尺寸

針對聲發射信號首先采用簡單高效的K均值聚類［5］（k－means clustering）以達到去噪的目的，它是Mac Queen提出的一種聚類算法。

K均值聚類中最優聚類的個數K由Dacies ＆Bouldin準則確定，系數DB定義如下：

式中：di和dj為類i和類j內平均距離；Dij為類i和類j間的距離。

當DB達到最小值時，聚類個數最佳。當K為2時DB達到最小值，即最優聚類個數K為2。

將聲發射信號分割成兩類信號（下文表述為類一信號、類二信號）進行分析，以20℃時信號為例進行分析，結合圖2類一信號撞擊累積時間歷程曲線、幅值時間歷程散點圖，圖3類二信號撞擊累積時間歷程曲線、幅值時間歷程散點圖和表1聚類分析各個參數均值可得：20℃實驗時，900s左右（屈服階段），類一信號撞擊累積增加明顯，類二信號在整個時間拉伸過程中撞擊累積個數幾乎成線性增長；兩類信號均為低幅值、高持續時間，這說明這兩類信號都是持續信號；兩類信號相比，類一信號平均幅值、持續時間、能量計數、計數均高于類二信號。由此可以判斷類一信號為Q345R拉伸過程中產生的塑性變形信號及裂紋開裂信號，類二信號為試驗過程中的噪聲信號。表1中能量計數指信號檢波包絡線下的面積，計數指越過門檻信號的震蕩次數，表2同。下面筆者對類一信號進行分析。

表1 聚類分析各個參數均值

3 試驗結果及分析

3.1 能量－幅值關聯關系

對5組數據進行能量－幅值關聯分析，由圖4能量－幅度圖可看出，在試驗溫度區間，高幅值下的信號一般有著較高的能量。隨著溫度的降低，能量－幅值的關聯關系更趨向于集中。在－60℃時材料溫度已經達到脆性轉變溫度，材料發生脆性斷裂，撞擊數增多。結合表2可見，在試驗溫度區間，幅值變化較小，持續時間、能量、計數發生較大變化（變化超過10倍）；隨著溫度的降低，聲發射活性減弱，聲發射信號能量變小；－20℃能量變化較大，證明從此溫度開始，低溫對Q345R鋼聲發射活性影響較大。

表2 不同溫度下各參數均值

3.2 波形

試樣在拉伸過程中，在彈性階段，試樣主要發生的是能夠恢復的彈性變形，材料內部十分微小的變形以及一些微裂紋的開裂，產生一些聲發射信號。彈性階段聲發射信號特征是信號幅度較小，強度較弱；進入屈服階段，材料內部晶粒間位錯運動加劇，塑性變形發生，隨著加載的繼續，產生塑性變形的晶粒變多，而材料內部聚集的足夠能量使微裂紋互相貫通融合，變形加劇，產生強烈的聲發射現象即聲發射信號；材料進入強化階段，由材料的位錯理論，強化階段時材料內部存在位錯活動的交割及釘扎現象，可動位錯變少，聲發射信號變少，但是都是高強度信號。相較于彈性階段和強化階段，屈服階段的聲發射活性最強，產生塑性變形，筆者主要對屈服階段的信號進行波形頻譜分析。

圖5表示不同溫度下屈服階段的原始波形及頻譜圖。在20℃與－40℃溫度下，溫度沒有達到脆性轉變溫度，表現為連續型聲發射信號，聲發射信號由于溫度降低聲發射活性減弱，幅值變小，頻率分布范圍變廣，低頻率信號活性較弱，可以判別塑性變形信號多集中在50～150kHz；溫度由－40℃降到－60℃時，聲發射信號幅值減小十分明顯，較高幅值頻率主要集中在50～150kHz和300～400kHz，可見材料在此區間產生脆性斷裂，與理論分析脆變溫度區間相符，高頻率信號為脆性斷裂信號。

4 結論

（1）溫度能夠影響Q345R鋼內部晶粒間位錯運動。隨著溫度的降低，能量不斷減小，聲發射活性減弱。

（2）隨著溫度的降低，Q345R鋼低溫拉伸過程的聲發射信號頻率分布范圍變廣；在脆性轉變溫度以后，材料發生脆性斷裂，產生高頻率脆性斷裂聲發射信號，多集中在300～400kHz。

［1］陳開路.聲發射檢測技術及其在電力系統的應用前景［J］.福建電力與電工，2001，21（3）：58－59.

［2］徐彥廷，戴光，張寶琪.16MnR鋼制拉伸試樣在常、高溫下的聲發射特性試驗研究［J］.大慶石油學院學報，1995，19（2）：75－77.

［3］唐曉鋒，趙院婷，高浩，等.低溫壓力容器制造質量控制［C］／／第三屆十省區市機械工程學會科技論壇暨黑龍江省機械工程學會2007年年會論文（摘要）集.黑龍江：［出版者不詳］，2007.

［4］李紅英，丁常偉，胡少旭.熱處理工藝對16MnR鋼脆性轉變溫度的影響［J］.熱加工工藝，2006，35（20）：55－57.

［5］LIKAS A，VLASSIS N，VERBEEK J.The global kmeans clustering algorithm［J］.Pattern Recognition，2003，36（2）：451－461.