船用金属材料声发射信号特性研究

第23卷　第6期2008年12月实　验　力　学J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICS Vol.23　No.6Dec.2008文章编号:100124888(2008)0620496207船用金属材料声发射信号特性研究3岳亚霖1,2,韦朋余2,张炜1,李盛华1(1.中国船舶科学研究中心,无锡214082;2.江苏科技大学船舶与海洋工程学院,镇江212003)摘要:利用声发射技术对6种船用金属材料拉伸试验过程中产生的声发射信号进行了详细研究。

通过对材料从弹性、屈服、强化直至破坏过程中的声发射信号参数统计分析,总结了船用金属材料拉伸过程中声发射信号事件数量、幅度、频率随拉力变化的分布规律,为在船用金属材料与结构缺陷中进行声发射检测的设备参数的配置、传感器的选择和危险等级的划分提供了基础数据。

关键词:声发射;金属材料;信号频率;声发射传感器;缺陷检测中图分类号:T G115.28 文献标识码:A0　引言船舶建造过程中,需要大量不同型号的钢材,这些钢材在使用过程中,一旦产生结构缺陷或损伤将影响船舶的使用寿命,甚至造成灾难性的后果。

船用金属材料内部结构缺陷的产生和扩展,将以弹性波的形式释放能量,向四周传播,形成声发射源。

声发射检测的目的是捕捉有关声发射源的信息,进而获取材料或构件的损伤相关信息,包括损伤的位置、损伤的程度和剩余寿命等。

由于至今还不能直接获得从声发射源发出的原始声发射信号,所以通过对传感器接收到的声发射信号的分析和处理是目前获取声发射源信息的唯一有效途径[1]。

声发射信号可用以下公式表示:e r =∑ni =0A i (ωi ,r )sin (ωi t +<i )(1)式中,ωi 为频率;A i 为幅值(与ωi 以及与声发射源之间的距离r 有关),<i 为相应频率成分的相位,在同一材料中,声发射信号包含各种不同频率成分。

声发射源发出的原始声发射信号与传感器接收到的声发射信号存在较大的区别。

声源处的声波信号频带宽、能量高,包括多种模式的波,如纵波、横波、表面波等,包含着声源的定量信息。

传感器与声源所处位置不同,相距一定距离,传感器接收的是到达传感器位置的声信号,从声发射源发出的声信号在固体中传播时,声波会发生形态变化和模式转化[2]。

不同模式波的传播速度不同,到达传感器的时间不同,很显然,传感器接收到的时频特征也不相同。

另外,由于声波传播途径与声源位置、被检测对象的几何形状、材料特性、声耦合剂特性、接收传感器特性等诸多因素有关,使得传感器接收的声发射信号具有多态性。

此外,声发射信号还要受到多种背景噪声的干扰,如机械噪声、摩擦噪声、环境噪声、电磁噪声等,这些噪声信号与声发射信号相互叠加在一起,构成了传感器的采样信号[3]。

因此,详细研究船用金属材料声发射源的本征信号特性,合理选择相应频率范围内的声发射传感器,是声发射缺陷检测首要解决的两个关键技术。

3收稿日期:2008204228;修订日期:2008212202通讯作者:岳亚霖(1964-),男,博士,中国船舶科学研究中心研究员。

研究方向:声发射检测,船舶结构力学。

E 2mail :yueyalin313@本文利用声发射检测技术对不同强度等级的6种船用金属材料拉伸试验过程中产生的声发射信号进行了详细研究。

通过对船用金属材料拉伸试验过程中产生的声发射信号参数的统计分析,研究了我国6种船用金属材料从弹性、屈服、强化直至破坏过程中的声发射信号分布特性;总结了声发射信号频带宽度与船用金属材料受力变化之间的关系;提出了可应用于船用金属材料缺陷或损伤声发射检测用传感器的合理频带范围。

1　船用金属材料声发射信号采集为研究船用金属材料声发射信号特性,我们选用了A3钢(低碳钢)、45钢(中碳钢)和屈服强度分别为700M Pa 级的BB 钢、800M Pa 级的BC 钢、600M Pa 级的BD 、B E 钢等6种船舶常用的钢材,对其进行拉伸试验,试样参照G B/T6397-1986《金属拉伸试验试样》要求设计,每种材料加工3块,其尺寸如图1和表1所示[4]。

拉伸试验在拉力试验机上进行,为了减少试件与试验机夹具之间的摩擦噪声信号,板材试样通过销孔和销轴与拉力试验机连接[5]。

同时为了消除试样销孔和销轴在拉伸过程中由于挤压变形产生背景噪声信号,试验前对试样销孔和销轴进行了预压处理(预压力略大于各试件理论破断拉力)。

表1　钢板拉伸试样尺寸Tab.1　Sizes of steel tensile specimens材料型号A345BB BC BD B E 宽度b (mm )504640404040厚度t (mm )151******** 在试件的有效试验段两侧布置两只宽频带声发射传感器,其频带宽度为100k Hz ～1M Hz ,采用黄油作为传感器与试件间的耦合剂。

试验参考G B/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》和美国ASTM 标准E569-85《构件加载过程中的声发射检测》进行拉伸试验的声发射信号采集。

拉伸试验中用从俄罗斯引进的MA ES 232声发射检测系统记录包括材料弹性变形、屈服、强化直至断裂过程中产生的声发射信号,并用线性定位法进行信号定位,图2给出了传感器的布置位置[6]。

声发射检测系统的前794第6期 岳亚霖等:船用金属材料声发射信号特性研究置放大器增益为40dB ,采用固定门槛,门槛值为50dB 。

试验前在试样中间正反面对称位置上预先粘贴应变片,拉伸过程中记录拉伸载荷并用日本共和公司生产的UCAM 210A 应变仪进行应变测量,其测量结果如图3至图18(图13至图18中纵坐标单位为k Hz )。

894 实　验　力　学 (2008年)第23卷　第6期 岳亚霖等:船用金属材料声发射信号特性研究9942　船用金属材料声发射信号特性从材料的强度角度来看,A3、45、BB 、BC 、BD 、B E 钢覆盖了低、中、高三个强度等级,其中A3钢属于低强度钢,45钢属于中强度钢,BB 、BC 、BD 及B E 钢则属于低合金高强度钢,对于材料的拉伸过程,根据应力-应变曲线又可分为弹性、屈服、强化及破坏4个阶段。

比较上述6种材料板材试样拉伸过程的声发射事件幅度(如图3至图12)可以发现:6种材料在拉伸过程中均伴随有声发射的现象发生,对于同一种材料的不同应力应变阶段,其声发射信号的数量和幅度特征不同。

具体包括:(1)在材料弹性阶段,应力的增加伴随着声发射信号的数量缓慢增加,但大部分信号幅度或能量较低。

BB 、BC 、BD 及B E 钢信号幅度小于65dB ,45钢幅度及A3钢信号幅度小于60dB 。

(2)当材料接近或达到屈服时,声发射信号数量明显增加,并伴有大幅度、高能量信号。

BB 、BC 、BD 、B E 、45及A3钢的大幅度信号的幅度均大于75dB 。

(3)当材料从屈服进入强化阶段,声发射信号数量有所减少但仍有大幅度信号出现。

(4)当材料接近强度极限时,声发射信号数量再次增多,并伴有90dB 以上的大幅度、高能量信号的出现[7]。

图13至图18是试样拉伸过程的信号频率随拉力变化图,从图中可以看出随着拉力的增大,声发射信号的频谱宽度略有不同。

具体包括:(1)在材料弹性阶段,BB 、BC 、BD 、B E 、45及A3钢的大部分信号集中在200k Hz ～500k Hz 频宽范围内。

(2)随着拉力的增大,材料进入塑性和强化阶段,声发射信号的频谱宽度的有所放大,BB 、BC 、BD 、B E 、45及A3钢均含有频率为600k Hz 以上的声发射信号,且大部分005 实　验　力　学 (2008年)第23卷　信号集中在200k Hz ～700k Hz 频宽范围内。

(3)材料接近破断时BB 、BC 、BD 、B E 、45及A3钢的大部分信号集中在200k Hz ～700k Hz 频宽范围内,亦出现少量的频率低于200k Hz 的低频声发射信号。

声发射检测结果的评定是以声发射检测系统采集到的声发射信号特征参数为依据,而声发射传感器的频响范围将直接决定何种频段的声发射信号能被检测系统采集到并进行特征参数的提取。

若传感器频响范围选择不当,极有可能导致缺陷或损伤声发射信号的丢失或漏检,对结构的缺陷或损伤造成误判或漏判,使事故隐患得不到及时消除。

由此可见,在对材料进行声发射检测及评估时,传感器的频率带宽对材料的声发射信号采集起到极其关键的作用。

声发射检测常见的传感器有宽频传感器和谐振传感器两种。

由上述分析可见,在进行金属材料损伤声发射检测时,对声发射传感器的选用应注意以下几点:(1)宽频声发射传感器,响应频带宽,适用范围广,但价格较高。

船用金属材料的声发射信号属于超声波信号,频谱范围较宽,主要集中在200k Hz ～700k Hz ,为提高测量精度,宜选用频响范围覆盖100k Hz ～800k Hz 的宽频传感器。

(2)谐振声发射传感器,其价格远低于宽频传感器,但响应频带窄,适用于材料声发射频谱特性已知情况下的检测。

在对船用金属材料进行声发射检测时,考虑到信号的高频成分容易衰减,推荐选用频响范围覆盖200k Hz ～500k Hz 的谐振传感器。

(3)在船用金属材料的声发射频谱特性不清楚的情况下进行声发射检测时,应选用频响范围覆盖100k Hz ～800k Hz 宽频声发射传感器,以防止有效声发射信号的漏检。

通过以上的试验研究为在船用金属材料与结构缺陷中进行声发射检测的设备参数的配置、传感器的选择和危险等级的划分提供了数据支持,为声发射技术广泛应用于船舶行业打下基础。

3　结论本文对6种典型船用金属材料A3、45、BB 、BC 、BD 、B E 的声发射信号特性进行了详细研究,通过对板材试样拉伸过程中所获得的声发射信号幅频特性分析,得到如下结论:(1)船用金属材料拉伸过程中,处于弹性阶段时,声发射信号事件数量较少,幅度较低;接近或达到材料屈服极限时,声发射信号事件数量明显增多,并出现大幅度的信号;进入材料的强化阶段,声发射信号事件数量略有减少,但仍有数量较多、幅度较高的声发射信号出现;接近破断时,再次出现大幅度的信号,事件数量也达到次高峰。

(2)船用金属材料拉伸过程中产生的声发射信号属于瞬态信号,其频率范围主要集中在200k Hz ～700k Hz 。

当材料处于弹性阶段时,信号主要集中在200k Hz ～500k Hz 频宽范围内;进入塑性和强化阶段,声发射信号的频谱宽度有所放大,主要集中在200k Hz ～700k Hz 频宽范围内;当材料接近破断时,其频谱宽度进一步扩大,出现少量的低于200k Hz 的低频声发射信号。

(3)在进行船用金属材料的缺陷或损伤声发射检测时,为提高测量精度,宜优先选用频响范围覆盖100k Hz ～800k Hz 的宽频传感器或频响范围覆盖200k Hz ～500k Hz 的谐振传感器。