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技术与应用

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技术与应用

金属拉伸声发射信号特征分析

发布日期:2018-04-10 13:53    浏览次数:

 摘要:在利用声发射技术对金属缺陷的萌生、扩展及断裂过程进行检测时,必须明确缺陷产生不同阶段的声发射信号特征.为了获取该特征,采用金属拉伸试验模拟金属缺陷产生过程.为此,利用现有DSP数据采集系统搭建金属拉伸试验平台,根据GB 228—2002(<金属材料试样拉伸实验方法》,进行拉伸试验.经分析,试验所得不同阶段声发射信号时域特征与理论吻合;再利用不同阶段典型声发射事件进行频域分析,发现频率成分明显不同,塑性变形和屈服阶段频率成分主要集中于低频段,断裂阶段频率成分在高频段显著增加.金属拉伸过程不同阶段声发射信号的时域、频域特征差别明显.

关键词:声发射;金属缺陷;金属拉伸;时域特征;频域特征

    声发射技术作为一种新型动态的检测技术已被广泛应用于设备的无损检测、在线监测.声发射技术属于动态检测,能量来自被测物体本身【1】.有别于其他无损检测方法,声发射技术可以实时检测缺陷的萌生、扩展及断裂过程,利用相关信号处理技术还可判定缺陷位置.利用该技术可以在设备结构未产生破坏前就对其进行修理或更换,保证安全使用,避免事故的发生.该技术在压力容器检测、高压气瓶检测、材料力学特性研究等领域应用日趋广泛.在混流式水轮机叶片裂纹声发射监测系统中,需要对叶片裂纹缺陷即金属缺陷的萌生、扩展及断裂过程进行检测,利用其不同阶段的声发射信号特征,获得叶片裂纹缺陷的实时信息.为获取金属缺陷产生过程各阶段的声发射信号特征,利用实验室现有设备搭建金属拉伸试验平台,通过对不同阶段试验所得数据进行时域、频域特征分析,如能找出其特征差别,则可利用该差别实现金属缺陷产生过程的有效检测[2],为混流式水轮机叶片裂纹声发射监测系统的成功研制提供理论与试验支持。

1声发射技术
    声发射(Acoustic emission)简称AE,是材料或结构内部局部区域在外力,内力或温度表化等影响下,产生塑性变形或有裂纹形成与扩展时,伴随能量迅速释放而发生的瞬态弹性波现象.
    声发射检验技术的基本原理是利用耦合在材料表面的压电陶瓷探头将材料内声发射源产生的弹性波转变为电信号,将电信号加以放大和处理使之特性化,并加以显示和记录,从而获得材料内声发射源的特征参数.相反,通过分析检验过程中声发射仪器获得的声发射信号各种参数,可以知道材料内部的缺陷情况【1】。
    声发射信号频率范围可从次声几十Hz到数十MHz超声信号,幅度范围可从几微伏到上百伏,但在绝大多数AE检测中,主要频率段大概在几百kHz.其中,金属裂纹的声发射信号检测的使用频率在100~400 kHz较多,且声发射信号持续的时间相当短,大约为几毫秒到几百毫秒【1】。

2 拉伸试验平台和载荷加载曲线
2.1试验平台
    图1是试验平台示意图.试验系统构成如下:中心频率为150 kHz(带宽50~400 kHz)的声发射传感器;放大倍数为40 dB的前置放大器(带宽lO~2 MHz);4通道DSP数据采集系统,2 M采样数据;PC等;拉伸材料:300 mm×60 mm×2mm A3(Q235)薄钢板,预制裂纹。

 

2.2载荷加载曲线
    金属拉伸过程,可分为弹性变形、塑性变形、屈服、断裂四个阶段,图2为试验得到的载荷加载曲线.其中,206 S以前,为弹性变形阶段;206~338 S,为塑性变形阶段;338~400 s,为屈服阶段;最后为断裂阶段[3].
3  拉伸过程不同阶段声发射信号时域、频域特征分析
3.1  时域特征分析
    理论上,弹性变形和塑性变形初期一般无声发射信号;当塑性变形达到一定程度后,开始出现声发射信号麓屈服阶段,声发射现象应尤;集中;当试件断裂时出现大幅值声发射信号【4,5】.下面就拉伸试
验中塑性变形、屈服、断裂三个阶段,分别给出各阶段的声发射信号,以论证上述分析的正确性.
    图3为拉伸断裂试验塑性变形较大时,得到的声发射信号,该阶段信号平均幅值较弱,在0.014~0.024 S的10 ms时间段内,出现7次声发射事件,属连续型信号.

    图4为拉伸断裂试验屈服阶段得到的声发射信号,与图3塑性变形阶段相比,信号平均幅值仍较弱,但其平均幅值稍大,在0.019~0.026 S的7 ms时间段内,出现10次声发射事件,声发射现象产生频率明显增加,属连续型信号.

    图5为拉伸断裂试验断裂阶段得到的声发射信号,与图4塑性变形和图3屈服两阶段相比,信号平均幅值增加明显.图中第1个声发射事件,其最小峰值达到一2.74 V,最大峰值达到2.24 V,明显属于突发型信号.在0.1 15~0.126 S的11 mS时间段内,出现约8次声发射事件.上述三个阶段的道的声发射信号,其特征与理论分析吻合.


3.2  频域特征分析

    为进一步了解金属拉伸断裂过程各阶段声发射信号的差别,从所得信号中提取典型声发射事件,进行如下频域分析.试验所得图3塑性变形和图4屈服阶段声发射信号,为连续型.其频率成分较低,见图6(a),信号频率成分集中在400 kHz范围内.试验所得断裂阶段的声发射信号为突发型,见图5.其信号的时域波形与频谱见图6(b).断裂信号与塑性变形信号相比具有更高的频率成分,400 800 kHz范围频率成分增加明显.这说明开裂时声发射源的卸载速度较快,而且释放出更多的应变能,但该试验所得声发射信号来源于何种形式的开裂,图6(b)中提供的信息不能判别,还需对图6(b)中信号进行进一步的信号处理,如可通过400~800 kHz范围内幅值大小进行判断。

4 结论
    金属拉伸断裂过程中,弹性变形、塑性变形、屈服、断裂四个阶段,声发射事件从无到有,弹、塑性阶段逐渐增大,屈服阶段达到峰值,断裂阶段又逐渐减小,直到断裂.四个阶段得到的声发射信号类型不同:塑性变形和屈服阶段得到的典型声发射信号为连续型;断裂阶段得到的声发射信号为突发型.四个阶段得到的声发射信号频率成分不同:塑性变形和屈服阶段其频率成分主要集中在400 kHz范围内;而断裂阶段则具有更宽的频率成分,400~800 kHz范围频率成分增加明显.

参考文献:
[1] 杨明伟,耿荣生.声发射检测[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2] NADIA E,NICK S,DAVID C W.Initial versus final fracture of metal—free crowns,analyzed via acoustic emiss on[J3.Dent—aI Materials.2008,24(9):1289—1295.
[3]中国标准化委员会.GB 228--2002 金属材料试样拉伸实验方法[s].北京:中国标准出版社,2002.
[4]付元杰.基于时频能量分析的声发射特征信号的提取方法研究[D].南宁:广西大学机械工程学院,2006.
[5]李光海,刘时风.声发射信号分析技术及进展JR].啥尔滨:第十届声发射学术研讨会。2004.
 
 
 

伍蒋军。黄振峰.毛汉领
(浙江省特种设备检验研究院,浙江杭州310021)
收稿日期:2009—12-21
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50465002);广西省自然科学基金资助项目(桂科基0448014)
作者简介:伍蒋军(1982一),男,四川安岳人,硕士,研究方向为机械电子工程,E—mail:jiangjun511023@163.corn.