基于K均值聚类对Q345R钢低温拉伸的声发射信号分析

龙飞飞，王 琼，宋 阳，李 伟

（东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318）

声发射检测技术是一种新兴的动态无损检测，被广泛应用于压力容器的在线监测中［1］。金属材料受到拉应力的作用时，内部的能量会聚集，当能量聚集到足够大时会引起裂纹扩展或塑性变形从而产生声发射现象，通过对声发射信号特性分析可以判断出材料的损伤程度、受力状态等特性［2］。

脆性断裂是金属材料在低温下的主要失效形式之一。金属材料有足够尘锐的缺口或缺陷时，在温度低于脆性转变温度（NDTT）下就可能产生脆性断裂，而且这种脆性断裂的发生通常很突然［3］。Q345R钢作为低温常规用钢，在压力容器制造中被广泛应用。笔者选用Q345R作为试验材料，对其低温下的拉伸声发射特性进行试验研究，分析其在低温拉伸过程中的信号类型及脆性断裂后的信号变化，验证声发射检测技术对其在线检测的实际应用意义。

1 试验方法

试验中加载设备选用瑞格尔有限公司制造的300kN微机控制全数字化电子万能试验机。Q345R钢在常温压力容器制造时大多是用热轧板材直接制成所需的制品，这时材料的脆性转变温度范围较窄，热处理对Q345R钢脆性转变温度有很大影响［4］，笔者将拉伸试样通过热处理改变其脆性转变温度。拉伸试样采用900℃正火处理，使晶粒细化，使试样的脆性转变温度大致在－40℃～－50℃再进行拉伸试验，以便于区分材料是否发生脆变。试件尺寸见图1。试验分别选取20℃，0℃，－20℃，－40℃，－60℃5组温度进行拉伸试验。

2 声发射信号聚类分析

图1 材料试样尺寸

针对声发射信号首先采用简单高效的K均值聚类［5］（k－means clustering）以达到去噪的目的，它是Mac Queen提出的一种聚类算法。

K均值聚类中最优聚类的个数K由Dacies ＆Bouldin准则确定，系数DB定义如下：

式中：di和dj为类i和类j内平均距离；Dij为类i和类j间的距离。

当DB达到最小值时，聚类个数最佳。当K为2时DB达到最小值，即最优聚类个数K为2。

将声发射信号分割成两类信号（下文表述为类一信号、类二信号）进行分析，以20℃时信号为例进行分析，结合图2类一信号撞击累积时间历程曲线、幅值时间历程散点图，图3类二信号撞击累积时间历程曲线、幅值时间历程散点图和表1聚类分析各个参数均值可得：20℃实验时，900s左右（屈服阶段），类一信号撞击累积增加明显，类二信号在整个时间拉伸过程中撞击累积个数几乎成线性增长；两类信号均为低幅值、高持续时间，这说明这两类信号都是持续信号；两类信号相比，类一信号平均幅值、持续时间、能量计数、计数均高于类二信号。由此可以判断类一信号为Q345R拉伸过程中产生的塑性变形信号及裂纹开裂信号，类二信号为试验过程中的噪声信号。表1中能量计数指信号检波包络线下的面积，计数指越过门槛信号的震荡次数，表2同。下面笔者对类一信号进行分析。

表1 聚类分析各个参数均值

3 试验结果及分析

3.1 能量－幅值关联关系

对5组数据进行能量－幅值关联分析，由图4能量－幅度图可看出，在试验温度区间，高幅值下的信号一般有着较高的能量。随着温度的降低，能量－幅值的关联关系更趋向于集中。在－60℃时材料温度已经达到脆性转变温度，材料发生脆性断裂，撞击数增多。结合表2可见，在试验温度区间，幅值变化较小，持续时间、能量、计数发生较大变化（变化超过10倍）；随着温度的降低，声发射活性减弱，声发射信号能量变小；－20℃能量变化较大，证明从此温度开始，低温对Q345R钢声发射活性影响较大。

表2 不同温度下各参数均值

3.2 波形

试样在拉伸过程中，在弹性阶段，试样主要发生的是能够恢复的弹性变形，材料内部十分微小的变形以及一些微裂纹的开裂，产生一些声发射信号。弹性阶段声发射信号特征是信号幅度较小，强度较弱；进入屈服阶段，材料内部晶粒间位错运动加剧，塑性变形发生，随着加载的继续，产生塑性变形的晶粒变多，而材料内部聚集的足够能量使微裂纹互相贯通融合，变形加剧，产生强烈的声发射现象即声发射信号；材料进入强化阶段，由材料的位错理论，强化阶段时材料内部存在位错活动的交割及钉扎现象，可动位错变少，声发射信号变少，但是都是高强度信号。相较于弹性阶段和强化阶段，屈服阶段的声发射活性最强，产生塑性变形，笔者主要对屈服阶段的信号进行波形频谱分析。

图5表示不同温度下屈服阶段的原始波形及频谱图。在20℃与－40℃温度下，温度没有达到脆性转变温度，表现为连续型声发射信号，声发射信号由于温度降低声发射活性减弱，幅值变小，频率分布范围变广，低频率信号活性较弱，可以判别塑性变形信号多集中在50～150kHz；温度由－40℃降到－60℃时，声发射信号幅值减小十分明显，较高幅值频率主要集中在50～150kHz和300～400kHz，可见材料在此区间产生脆性断裂，与理论分析脆变温度区间相符，高频率信号为脆性断裂信号。

4 结论

（1）温度能够影响Q345R钢内部晶粒间位错运动。随着温度的降低，能量不断减小，声发射活性减弱。

（2）随着温度的降低，Q345R钢低温拉伸过程的声发射信号频率分布范围变广；在脆性转变温度以后，材料发生脆性断裂，产生高频率脆性断裂声发射信号，多集中在300～400kHz。

［1］陈开路.声发射检测技术及其在电力系统的应用前景［J］.福建电力与电工，2001，21（3）：58－59.

［2］徐彦廷，戴光，张宝琪.16MnR钢制拉伸试样在常、高温下的声发射特性试验研究［J］.大庆石油学院学报，1995，19（2）：75－77.

［3］唐晓锋，赵院婷，高浩，等.低温压力容器制造质量控制［C］／／第三届十省区市机械工程学会科技论坛暨黑龙江省机械工程学会2007年年会论文（摘要）集.黑龙江：［出版者不详］，2007.

［4］李红英，丁常伟，胡少旭.热处理工艺对16MnR钢脆性转变温度的影响［J］.热加工工艺，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.