基于K均值聚類對Q345R鋼低溫拉伸的聲發(fā)射信號分析

龍飛飛，王 瓊，宋 陽，李 偉

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318）

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種新興的動(dòng)態(tài)無損檢測，被廣泛應(yīng)用于壓力容器的在線監(jiān)測中［1］。金屬材料受到拉應(yīng)力的作用時(shí)，內(nèi)部的能量會聚集，當(dāng)能量聚集到足夠大時(shí)會引起裂紋擴(kuò)展或塑性變形從而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，通過對聲發(fā)射信號特性分析可以判斷出材料的損傷程度、受力狀態(tài)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(shí)，在溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）下就可能產(chǎn)生脆性斷裂，而且這種脆性斷裂的發(fā)生通常很突然［3］。Q345R鋼作為低溫常規(guī)用鋼，在壓力容器制造中被廣泛應(yīng)用。筆者選用Q345R作為試驗(yàn)材料，對其低溫下的拉伸聲發(fā)射特性進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)證聲發(fā)射檢測技術(shù)對其在線檢測的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中加載設(shè)備選用瑞格爾有限公司制造的300kN微機(jī)控制全數(shù)字化電子萬能試驗(yàn)機(jī)。Q345R鋼在常溫壓力容器制造時(shí)大多是用熱軋板材直接制成所需的制品，這時(shí)材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍較窄，熱處理對Q345R鋼脆性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度。拉伸試樣采用900℃正火處理，使晶粒細(xì)化，使試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度大致在－40℃～－50℃再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以便于區(qū)分材料是否發(fā)生脆變。試件尺寸見圖1。試驗(yàn)分別選取20℃，0℃，－20℃，－40℃，－60℃5組溫度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 聲發(fā)射信號聚類分析

圖1 材料試樣尺寸

針對聲發(fā)射信號首先采用簡單高效的K均值聚類［5］（k－means clustering）以達(dá)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(yōu)聚類的個(gè)數(shù)K由Dacies ＆Bouldin準(zhǔn)則確定，系數(shù)DB定義如下：

式中：di和dj為類i和類j內(nèi)平均距離；Dij為類i和類j間的距離。

當(dāng)DB達(dá)到最小值時(shí)，聚類個(gè)數(shù)最佳。當(dāng)K為2時(shí)DB達(dá)到最小值，即最優(yōu)聚類個(gè)數(shù)K為2。

將聲發(fā)射信號分割成兩類信號（下文表述為類一信號、類二信號）進(jìn)行分析，以20℃時(shí)信號為例進(jìn)行分析，結(jié)合圖2類一信號撞擊累積時(shí)間歷程曲線、幅值時(shí)間歷程散點(diǎn)圖，圖3類二信號撞擊累積時(shí)間歷程曲線、幅值時(shí)間歷程散點(diǎn)圖和表1聚類分析各個(gè)參數(shù)均值可得：20℃實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(gè)時(shí)間拉伸過程中撞擊累積個(gè)數(shù)幾乎成線性增長；兩類信號均為低幅值、高持續(xù)時(shí)間，這說明這兩類信號都是持續(xù)信號；兩類信號相比，類一信號平均幅值、持續(xù)時(shí)間、能量計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)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(chǎn)生的塑性變形信號及裂紋開裂信號，類二信號為試驗(yàn)過程中的噪聲信號。表1中能量計(jì)數(shù)指信號檢波包絡(luò)線下的面積，計(jì)數(shù)指越過門檻信號的震蕩次數(shù)，表2同。下面筆者對類一信號進(jìn)行分析。

表1 聚類分析各個(gè)參數(shù)均值

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 能量－幅值關(guān)聯(lián)關(guān)系

對5組數(shù)據(jù)進(jìn)行能量－幅值關(guān)聯(lián)分析，由圖4能量－幅度圖可看出，在試驗(yàn)溫度區(qū)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(guān)聯(lián)關(guān)系更趨向于集中。在－60℃時(shí)材料溫度已經(jīng)達(dá)到脆性轉(zhuǎn)變溫度，材料發(fā)生脆性斷裂，撞擊數(shù)增多。結(jié)合表2可見，在試驗(yàn)溫度區(qū)間，幅值變化較小，持續(xù)時(shí)間、能量、計(jì)數(shù)發(fā)生較大變化（變化超過10倍）；隨著溫度的降低，聲發(fā)射活性減弱，聲發(fā)射信號能量變??；－20℃能量變化較大，證明從此溫度開始，低溫對Q345R鋼聲發(fā)射活性影響較大。

表2 不同溫度下各參數(shù)均值

3.2 波形

試樣在拉伸過程中，在彈性階段，試樣主要發(fā)生的是能夠恢復(fù)的彈性變形，材料內(nèi)部十分微小的變形以及一些微裂紋的開裂，產(chǎn)生一些聲發(fā)射信號。彈性階段聲發(fā)射信號特征是信號幅度較小，強(qiáng)度較弱；進(jìn)入屈服階段，材料內(nèi)部晶粒間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇，塑性變形發(fā)生，隨著加載的繼續(xù)，產(chǎn)生塑性變形的晶粒變多，而材料內(nèi)部聚集的足夠能量使微裂紋互相貫通融合，變形加劇，產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲發(fā)射現(xiàn)象即聲發(fā)射信號；材料進(jìn)入強(qiáng)化階段，由材料的位錯(cuò)理論，強(qiáng)化階段時(shí)材料內(nèi)部存在位錯(cuò)活動(dòng)的交割及釘扎現(xiàn)象，可動(dòng)位錯(cuò)變少，聲發(fā)射信號變少，但是都是高強(qiáng)度信號。相較于彈性階段和強(qiáng)化階段，屈服階段的聲發(fā)射活性最強(qiáng)，產(chǎn)生塑性變形，筆者主要對屈服階段的信號進(jìn)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(dá)到脆性轉(zhuǎn)變溫度，表現(xiàn)為連續(xù)型聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號由于溫度降低聲發(fā)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(shí)，聲發(fā)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(qū)間產(chǎn)生脆性斷裂，與理論分析脆變溫度區(qū)間相符，高頻率信號為脆性斷裂信號。

4 結(jié)論

（1）溫度能夠影響Q345R鋼內(nèi)部晶粒間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。隨著溫度的降低，能量不斷減小，聲發(fā)射活性減弱。

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

［1］陳開路.聲發(fā)射檢測技術(shù)及其在電力系統(tǒng)的應(yīng)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(fā)射特性試驗(yàn)研究［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，19（2）：75－77.

［3］唐曉鋒，趙院婷，高浩，等.低溫壓力容器制造質(zhì)量控制［C］／／第三屆十省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會科技論壇暨黑龍江省機(jī)械工程學(xué)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(zhuǎn)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.