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声发射检测技术

 
声发射的概念
  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, 简称AE) ,有时也称为应力波发射。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。这种直接与变形和断裂机制有关的源,被称为声发射源。近年来,流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源,被称为其它或二次声发射源。
  声发射是一种常见的物理现象,各种材料声发射信号的频率范围很宽,从几Hz的次声频、20 Hz~20K Hz的声频到数MHz的超声频;声发射信号幅度的变化范围也很大,从10-13m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大,就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生,但许多材料的声发射信号强度很弱,人耳不能直接听见,需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。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称为声发射技术,人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。
 
声发射技术发展概述
  声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象,尽管无法考证人们何时首次听到声发射,但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象,因为纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射,而铜和锡的冶炼可追朔到公元前3700年。
  现代的声发射技术的开始以Kaiser五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即:“材料被重新加载期间,在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。
  二十世纪五十年代末,美国人Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起[5], 而且还得到一个重要的结论, 即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作, 首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具, 并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。
  二十世纪六十年代初,Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 人们除开展声发射现象的基础研究外, 还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组,日本于1969年成立了声发射协会。
  二十世纪七十年代初, Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制,他们把实验频率提高到100KHz-1MHz的范围内, 这是声发射实验技术的重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。
  随着现代声发射仪器的出现,整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用,尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录, 据他的统计, 到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。
  二十世纪八十年代初,美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带,从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用,另一方面,由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件,仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高,仪器的信息存储量巨大,从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。
  进入九十年代,美国PAC公司、美国DW公司、德国Vallen Systeme公司和我国的声华兴业科技有限公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统,这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外,还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。
  我国于二十世纪七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究,八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用。发射检测仪已在制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的应用。
我国于1978年在中国无损检测学会成立了声发射专业委员会,并于1979年在黄山召开了第一届全国声发射学术会议,近年来已固定每两年召开一次学术会议,到目前为止已召开了十一届。
 
声发射基本检测原理
    从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面,引起可以用声发射传感器探测的表面位移,这些探测器将材料的机械振动转换为电信号,然后再被放大、处理和记录。固体材料中内应力的变化产生声发射信号, 在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化,如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。
  声发射检测的主要目的是:①确定声发射源的部位;②分析声发射源的性质;③确定声发射发生的时间或载荷;④评定声发射源的严重性。一般而言,对超标声发射源,要用其它无损检测方法进行局部复检,以精确确定缺陷的性质与大小。
 
声发射技术的特点
  声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法,其优点主要表现为:
  (1) 声发射是一种动态检验方法,声发射探测到的能量来自被测试物体本身,而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供;
  (2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感,它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况,稳定的缺陷不产生声发射信号;
  (3) 在一次试验过程中,声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态;
  (4) 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息,因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报;
  (5) 由于对被检件的接近要求不高,而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测,如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境;
  (6) 对于在役压力容器的定期检验,声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产;
  (7) 对于压力容器的耐压试验,声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力;
  (8) 由于对构件的几何形状不敏感,而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。
  由于声发射检测是一种动态检测方法,而且探测的是机械波,因此具有如下的特点:
  (1) 声发射特性对材料甚为敏感,又易受到机电噪声的干扰,因而,对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验;
  (2) 声发射检测,一般需要适当的加载程序。多数情况下,可利用现成的加载条件,但有时,还需要特作准备;
(3) 声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度,不能给出声发射源内缺陷的性质和大小,仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。