聲發(fā)射技術(shù)在金屬材料檢測中的應(yīng)用研究

賈斌

（內(nèi)蒙古自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院包頭分院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

金屬材料在受力過程中容易產(chǎn)生變形、裂縫等問題，這嚴(yán)重地影響了材料的應(yīng)用效果；在材料使用過程中，有必要進(jìn)行材料動態(tài)、無損檢測。聲發(fā)射技術(shù)是金屬材料檢查中的常用手段，其能在節(jié)省時間和人力的基礎(chǔ)上，大大提升了金屬材料物理狀態(tài)監(jiān)測的效率和精準(zhǔn)程度。

1 聲發(fā)射技術(shù)原理特征

1.1 檢測原理

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中金屬材料應(yīng)用廣泛，在實(shí)際應(yīng)用中，受多種作用力影響，金屬材料容易發(fā)生塑性變形或斷裂問題，并且在變形過程中，材料本身會產(chǎn)生一定的次聲頻、聲頻及超聲頻，這些聲頻本身具有較高的應(yīng)變能，聲發(fā)射技術(shù)就是利用特定設(shè)備來檢測這種應(yīng)變能，并以此確定金屬變形狀況的一種技術(shù)；具體檢測過程中，聲發(fā)射檢測技術(shù)檢測的內(nèi)容是電信號，其能在分辨電信號頻率、聲段特征的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動態(tài)化、無損化檢測。要注意的是，若金屬材料保持靜止?fàn)顟B(tài)，則無法進(jìn)行聲發(fā)射檢測，而當(dāng)金屬材料正處于塑性變形會斷裂過程時，基于該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)金屬材料缺陷嚴(yán)重性的準(zhǔn)確檢測。

1.2 檢測特征

聲發(fā)射技術(shù)在社會工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其能在確定聲發(fā)射源部位的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)發(fā)生源性質(zhì)、時間與荷載的準(zhǔn)確判斷。金屬缺陷檢測中，聲發(fā)射技術(shù)適用于動態(tài)缺陷檢測，檢測過程具有動態(tài)性、實(shí)時性的特征。同時，依托聲發(fā)射技術(shù)能實(shí)現(xiàn)時間、溫度、載荷等信息的全面檢測，在缺陷檢測中整體性較強(qiáng)。此外，從檢測結(jié)果來看，聲發(fā)射技術(shù)能在多種電子信號發(fā)聲器實(shí)現(xiàn)多種電子信號的快速化、靈敏化檢測，檢測結(jié)果精準(zhǔn)性突出?，F(xiàn)階段，聲發(fā)射技術(shù)在航天、鐵路、汽車、建筑等多個領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，有效地滿足了工業(yè)生產(chǎn)中金屬材料缺陷檢測的實(shí)際需要。

1.3 檢測儀器

金屬材料檢測中，聲發(fā)射技術(shù)儀器大致分為兩種形態(tài)，一是就單通道聲發(fā)射檢測儀器，該設(shè)備其不僅包含換能器、前置放大器模塊，而且涉及衰減器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等單元。二是多通道聲發(fā)射源定位儀器，此類儀器不僅包含單通道聲發(fā)射檢測儀器的諸多單元，而且新增了數(shù)字測定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。此外，外圍現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也是多通道聲發(fā)射源定位儀器的重要組織組成部分。在聲發(fā)射設(shè)備儀行業(yè)之初，應(yīng)在GB/T18182-2000標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，進(jìn)行設(shè)備精準(zhǔn)程度的系統(tǒng)控制（見表1）。

表1 聲發(fā)射技術(shù)儀器精度控制

2 在金屬材料檢測中聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用

2.1 塑性形變檢測

金屬材料在加工應(yīng)用中會受到較大的應(yīng)力作用，當(dāng)受力不均勻或出現(xiàn)微觀屈服問題時，材料會出現(xiàn)塑性變形問題，此時，會產(chǎn)生一定的塑性變形聲發(fā)射現(xiàn)象，可通過聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行塑性變形檢測?，F(xiàn)階段，低合金鋼是最常見的一種待檢測材料，該材料在屈服極限會出現(xiàn)較大的形變，此時，其聲發(fā)射信號也會出現(xiàn)峰值。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際可知，金屬材料的塑性變形包含滑移、孿生兩種形態(tài)。其中滑移指在切應(yīng)力作用下，材料部分分子會相對另一部分分子發(fā)生相對移位，這種移位往往沿著一定的滑移面和滑移方向產(chǎn)生。而孿生本質(zhì)上是一種相對切變現(xiàn)象，該變化過程以孿生面為對稱面，沿著一定的孿生方向發(fā)生。研究表明，金屬材料在滑移時所需要消耗的能量較少，因此，在發(fā)生變形情況時需優(yōu)先考慮，但是，材料因相互纏結(jié)無法靠滑移實(shí)現(xiàn)變形問題時，孿生變形現(xiàn)象會隨之產(chǎn)生。

聲發(fā)射技術(shù)在金屬材料塑性變形檢測中應(yīng)用廣泛，其中對金屬材料滑移現(xiàn)象進(jìn)行檢測時，其檢測信號具有連續(xù)性的特征，與之相對的是，孿生信號具有突發(fā)性的特征。工業(yè)生產(chǎn)中，金屬材料會隨著加工工藝的應(yīng)用而硬化，此時，材料的位錯密度會有所上升，受此影響，材料位錯可移動性、聲發(fā)射動態(tài)變化均會減少。同時，由于金屬材料的塑性變形本身具有不可逆的特征，因此認(rèn)為其聲發(fā)射過程同樣具有不可逆性。此外，凱瑟效應(yīng)對于材料塑性變形檢測具有深刻影響，在實(shí)際檢測中，需重視凱瑟效應(yīng)的系統(tǒng)把控，值得注意的是，為進(jìn)一步提升聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用水平，提升金屬材料塑性變形檢測效率和精準(zhǔn)程度，在檢測技術(shù)應(yīng)用階段，除金屬材料性質(zhì)外，還應(yīng)注重材料分子組成結(jié)構(gòu)的有效分析，此外，需將應(yīng)力加載條件、構(gòu)件幾何形態(tài)納入考慮范圍，提升檢測技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際效益。

2.2 斷裂與裂紋檢測

當(dāng)金屬材料產(chǎn)生裂紋或斷裂問題時，材料構(gòu)件的性能會受到較大影響，這在一定程度上會降低構(gòu)件的使用性能和使用安全性。新時期，在聲檢測技術(shù)下，可對金屬材料裂紋、斷裂等問題進(jìn)行實(shí)時化、動態(tài)化的檢測；并且相比其他檢測手段，該技術(shù)具有靈敏性高、無損性強(qiáng)的特點(diǎn)。工業(yè)生產(chǎn)中，多種因素會引起金屬材料斷裂問題，并且在不同環(huán)境下，金屬斷裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號也存在較大差異。其中對于高強(qiáng)度鋼金屬材料而言，當(dāng)材料荷載超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，會出現(xiàn)斷裂問題，并且在材料裂紋的尖端會形成塑性區(qū)，該塑性區(qū)形成過程中會產(chǎn)生一定的聲信號，隨著裂紋的擴(kuò)大，材料的振幅會隨之變大，同時，聲發(fā)射動態(tài)變化也會逐漸增強(qiáng)。金屬材料為超高強(qiáng)度鋼時，即便材料荷載超標(biāo)，到斷裂前其裂紋擴(kuò)展量也相對較小，這在一定程度上使得聲發(fā)射的活動性降低，在材料斷裂的瞬間，利用聲發(fā)射技術(shù)能實(shí)現(xiàn)瞬時應(yīng)變能信號的準(zhǔn)確檢測。此外，當(dāng)高斷裂韌性金屬材料受到較大作用力變形時，材料斷裂多以微孔聚合的形式展現(xiàn)出來，此時，斷裂尖端的塑性區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，借助聲發(fā)射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這種變化的有效檢測。

3 金屬檢測中提升聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用水平的措施

3.1 聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用問題

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況可知，聲發(fā)射技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中上存在諸多問題。一方面，在金屬制造過程中，開展聲發(fā)射檢測工作需考慮機(jī)械裝置的應(yīng)用特點(diǎn)，但是，有部分檢測人員對機(jī)械制造機(jī)理、裝置應(yīng)用特征的研究不夠深入，造成聲發(fā)射檢測技術(shù)的應(yīng)用不夠全面問題。另一方面，壓力容器是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的一種設(shè)備，在對此類設(shè)備檢測中，一些聲發(fā)射技術(shù)儀器對壓力容器形態(tài)及體積等要素的識別不到位，這在一定程度上降低了檢測結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性。此外，金屬部件因荷載產(chǎn)生塑像變形是一個由徐變到漸變的過程，即在初期階段，材料不會出現(xiàn)裂縫或斷裂問題，但其材料已經(jīng)因疲勞而損傷，聲發(fā)射技術(shù)在此類疲勞損傷問題檢測中存在一定缺陷，整體檢出率不夠，難以為金屬設(shè)備的疲勞控制提供參考。

3.2 聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用措施

新時期，聲發(fā)射技術(shù)在金屬檢測中的應(yīng)用不斷深入。要進(jìn)一步提升聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用水平，在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)考慮以下要點(diǎn)：（1）在聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用之初，應(yīng)深化對金屬部件配置情況的調(diào)查，準(zhǔn)確掌握金屬材料形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、制造機(jī)理、應(yīng)用特征等信息，這樣能有效提升發(fā)射技術(shù)在機(jī)械制造檢測領(lǐng)域的應(yīng)用的全面性。（2）現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，壓力容器應(yīng)用廣泛，應(yīng)深化聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器檢測中的應(yīng)用，在準(zhǔn)確掌握壓力容器體積、形狀的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)壓力容器壓力布置及材料缺陷問題的有效檢測。（3）在金屬材料檢測中，應(yīng)深化材料微觀結(jié)構(gòu)的分析，積極研究聲發(fā)射技術(shù)在金屬部件疲勞性檢測中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)金屬部件疲勞損傷狀況的有效判斷，進(jìn)而在部件損傷預(yù)測預(yù)報中，提升金屬材料的應(yīng)用水平。

4 結(jié)語

聲發(fā)射技術(shù)對于金屬材料塑性變形及缺陷檢測具有深刻影響。新時期，人們只有充分認(rèn)識聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用原理和特征，深化其在金屬材料塑性變形、裂紋和斷裂問題檢測中的應(yīng)用，才能有效地提升聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用水平，保證金屬材料的檢測應(yīng)用質(zhì)量，推動工業(yè)產(chǎn)業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)展。