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      防噴器材料在拉伸過程中的聲發(fā)射信號特性

      2012-10-23 05:39:40趙俊茹姚鴻濱
      無損檢測 2012年9期
      關(guān)鍵詞:噴器頻譜幅值

      戴 光,朱 磊,趙俊茹,姚鴻濱

      (1.東北石油大學(xué) 聲發(fā)射檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價實驗室,大慶 163318;2.大慶鉆探鉆技一公司,大慶 163318)

      聲發(fā)射(AE)可以定義為物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象,聲發(fā)射作為一種非破壞評價技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。聲發(fā)射信號表示一個或多個聲發(fā)射事件經(jīng)傳感器接收并經(jīng)系統(tǒng)處理后以某種形式出現(xiàn)的電信號[1]。聲發(fā)射的源機制各式各樣,不同的源機制對應(yīng)不同的發(fā)射聲波,因而也對應(yīng)不同的聲發(fā)射信號。聲發(fā)射是正在擴展的材料缺陷(裂紋)表現(xiàn)出來的一種物理現(xiàn)象,沒有塑性變形和擴展,裂紋或材料的缺陷處于靜止?fàn)顟B(tài),就沒有能量的重新分配,也就沒有聲發(fā)射[2-3]。大多數(shù)研究者用標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射參數(shù)(如峰幅值和能量等)區(qū)分不同的破裂機制[4]。

      文章對防噴器材料裂紋試件在拉伸斷裂過程中的聲發(fā)射信號進行研究,運用聲發(fā)射參數(shù)分析方法對防噴器材料裂紋試件的聲發(fā)射歷程圖進行分析,得出防噴器材料在拉伸過程中的損傷類型以及各損傷階段所呈現(xiàn)出來的聲發(fā)射特性。

      1 試驗研究

      1.1 試件制作

      拉伸試驗采用防噴器材料ZG25CrNiMo加工制作的試件,其形狀如圖1所示。為了防止噪聲干擾,減小應(yīng)力集中等現(xiàn)象的發(fā)生,試件經(jīng)特殊設(shè)計制成,在試件中間位置處預(yù)制裂紋,保證試件拉伸過程中在預(yù)制裂紋處斷裂。試件直徑為φ10mm,裂紋深度L為1,2,3mm。

      圖1 拉伸試件圖

      1.2 試驗裝置

      聲發(fā)射試驗系統(tǒng)如圖2所示。采用美國PAC公司生產(chǎn)的PCI-2聲發(fā)射檢測分析儀,WD寬帶傳感器、2/4/6前置放大器。將傳感器固定在試件兩端,真空脂作為耦合劑,保證傳感器和試件接觸部分充分耦合,能夠準(zhǔn)確接收到聲發(fā)射信號。

      圖2 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

      1.3 試驗過程

      在拉伸試驗之前,用0.5HB鉛芯,伸長2.5mm,與試件成30°夾角進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)定。校正步驟之后,確定聲發(fā)射儀器能在試件拉伸過程中采集到聲發(fā)射信號。

      拉伸試驗在SANS100KN全數(shù)字化微機控制電子萬能試驗機上進行,試件的拉伸速度為0.7mm/min。拉伸直至試件斷裂,同時記錄拉伸過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

      2 裂紋缺陷試件聲發(fā)射信號分析

      通過對直徑φ10mm,裂紋深度為1,2,3mm試件的拉伸過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)對比分析可知,不同試件拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化過程,表現(xiàn)出相同的變化形式,不同試件在幾乎相同的時間段內(nèi)表現(xiàn)出相同的趨勢,只在拉伸過程中的試件斷裂時間上存在差別。文章以直徑φ10mm,深度為2mm缺陷試件進行聲發(fā)射信號的數(shù)據(jù)分析。

      圖4~6為防噴器材料ZG25CrNiMo裂紋缺陷試件拉伸損傷過程中的聲發(fā)射歷程圖,分別是試件拉伸過程的聲發(fā)射信號幅值與時間分布圖、累積撞擊數(shù)與時間曲線圖,累積振鈴計數(shù)與時間曲線圖。對應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖的分析可以看出,ZG25CrNiMo材料拉伸損傷破壞發(fā)展過程基本上分為4個階段。在整個試件拉伸破壞過程中,聲發(fā)射信號產(chǎn)生的幅值基本分布在40~65dB。

      第一階段為裂紋尖端開裂階段(Ⅰ區(qū))。從圖中可以看出,此階段的聲發(fā)射信號數(shù)較少,這說明此階段材料并沒有產(chǎn)生明顯破壞,少量的低能量信號來自于試件與兩端夾具在加載過程中摩擦所產(chǎn)生的機械噪聲。在這一階段也出現(xiàn)了部分幅值偏大的信號,可能是試件預(yù)制缺陷在拉伸過程中受外載而產(chǎn)生開裂的結(jié)果。

      第二階段為裂紋微開裂階段(Ⅱ區(qū))。此階段聲發(fā)射累積振鈴計數(shù)和累積撞擊計數(shù)增加現(xiàn)象明顯,聲發(fā)射信號的幅值也有所增加,材料損傷開始加劇。此階段的損傷主要來自于第一階段預(yù)制裂紋等損傷形式進一步開裂,在預(yù)制裂紋尖端處形成較多的聲信號。

      第三階段為裂紋宏觀開裂階段(到材料整體失效前,Ⅲ區(qū))。此階段的聲發(fā)射信號各參數(shù)增長幅度較大,這表明材料內(nèi)部因裂紋的宏觀開裂,導(dǎo)致預(yù)制裂紋發(fā)生失穩(wěn)性擴展,產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號。

      第四階段為試件整體失效階段(試件斷裂瞬間,Ⅳ區(qū))。試件中的晶格大量破裂損傷,聲發(fā)射信號的幅值有明顯的增加,此時試件整體處于失效階段,但是聲發(fā)射信號較少,能量較低。

      通過對不同損傷階段的比較可知,在裂紋尖端開裂階段有少量的聲發(fā)射信號,且材料的變化過程相對穩(wěn)定;在裂紋微開裂階段,只有較少的高幅值信號出現(xiàn),材料本身沒有發(fā)生大的破壞;在裂紋宏觀開裂階段,大量高幅值信號的出現(xiàn)表明試件材料在此階段的破壞程度最重;在失效階段,防噴器材料發(fā)生不可逆的破壞,直至試件斷裂。

      3 聲發(fā)射信號參數(shù)及頻譜分析

      由聲發(fā)射儀器采集的防噴器材料試件拉伸變形過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,對采集到的信號進行小波去噪,對不同階段的典型信號進行研究。

      圖7~9給出直徑為10mm,缺陷深度為2mm的試件不同拉伸階段的波形圖以及頻譜圖,通過對不同階段的波形圖和頻譜圖分析可知:防噴器材料ZG25CrNiMo預(yù)制裂紋缺陷試件在拉伸過程中損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的頻帶分布較寬,主要集中在80~350kHz范圍內(nèi),主要有3個頻帶。在裂紋尖端開裂階段時的信號頻率峰值??;在裂紋微開裂階段的材料變形過程較復(fù)雜;在裂紋宏觀開裂階段持續(xù)時間最長,主要是在此階段試件內(nèi)部損傷加劇,材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的破壞,而且信號的頻率峰值最高。

      4 結(jié)論

      (1)通過試驗,運用聲發(fā)射參數(shù)分析法對防噴器材料預(yù)制裂紋試件的聲發(fā)射歷程圖進行分析,得出在拉伸過程中的各階段所呈現(xiàn)出的特性。

      (2)防噴器材料預(yù)制裂紋試件在受外力作用時,在預(yù)制裂紋尖端產(chǎn)生塑性變形;隨著試件進入裂紋微開裂階段,預(yù)制裂紋的微擴展變成宏觀擴展直至試件整體失效斷裂。

      (3)不同階段聲發(fā)射信號頻譜的頻帶寬度存在較大不同,且不同階段的頻譜峰值差別較大。

      [1]陳玉華,劉時風(fēng),耿榮生,等.聲發(fā)射信號的譜分析和相關(guān)分析[J].無損檢測,2002,24(9):395-399.

      [2]Dai guang,Li Wei,Long FeiFei.An acoustic emission method for the in service detection of corrosion in vertical storage tanks[J].Materials Evaluation,2002,60(8):976-978.

      [3]Amilcar Q,Basir S,F(xiàn)rederick J,et al.Acoustic emission based tension characteristics of sandwich composites[J].Composites Part B:Engineering,2004,355(1):63-571.

      [4]鄧勇剛,林發(fā)權(quán),張利紅,等.AET技術(shù)在油田防噴器檢測中的應(yīng)用[J].鉆采工藝,2009,32(2):83-84.

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