浅谈声发射技术在金属材料检测中的应用

宗震霆

（常州市便民服务中心，江苏 常州 213200）

该技术本身是一种常见的物理现象，由于大多数金属材料都存在声发射不可逆的效应，经过科学家的研究，该效应在工业上得到广泛应用，成为声发射技术检测内部结构的根本性依据。伴随计算机技术、信号处理技术的发展，声发射技术已经日趋牲畜，被大量运用到航天、铁路、汽车、建筑等领域。

1 声发射技术浅析

1.1 基本概念

首先要明确何为声发射技术。当金属材料的内部迅速释放能量而产生的瞬态弹性波（声波）时所产生的物理现象，也被恒伟应力波发射。如某金属材料或构件在受力过程中，内部会产生变形、裂纹等情况，会以弹性波形的形式表现出来，然后利用接受声发射信号，可以对该反应进行动态、无损检测。发射源是指声发射材料的物理源点、发生声发射波的机制源。如裂纹产生并扩展时，材料会出现塑性形变，发生错位移动、基体破裂、纤维断裂等。声发射的频率范围为几十KHZ~MHZ。声发射技术具有整体性、动态性、实时性的特点，极大地节省了时间和人力，能够在早期便发现故障，提前进行破坏预报。

1.2 检测原理

由于金属材料在发生内部变形时，会发射出范围较宽的频率，从次声频、声频到超声频。声发射所展示的物理现象会释放出足够强的应变能，并伴随人能听到的声音，如摔碎玻璃杯就会听见噼啪声，金属材料发生塑性变形或断裂时也会出现声发射，但它所产生的发射信号强度较弱，人耳无法听到，因此需要借助灵敏度较高的电子仪器才能检测出来。利用仪器进行检测，分析金属变形所发射的信号来推断发射源的技术便被称为声发射检测技术。声发射检测技术具有动态化、无损化的特点。即在对金属材料或构件的内部结构、缺陷进行检测时，能够达到无损的目标。声发射检测技术实际上是一项动态变化，如金属裂纹便主动参与了检测过程，如果金属缺陷保持静止状态，没有发生变化或扩展时，便不会产生声发射现象，也无法进行声发射检测。由此可延伸到，如果声发射信号来源金属内部缺陷本身，则可以利用声发射检测技术来判断缺陷的严重性。声发射检测技术的检测内容是电信号，电子仪器可以根据电信号的频率、声段等特征来解释材料、结构内部的缺陷变化，当然，检测人员也必须具备充足的专业知识与检测手段。此外，声发射的检测环境往往会伴随较强的噪声干涉，虽然随着科技的进步，已经出现了各种噪声排除方法，但在一些特殊情况下，这些方法仍然无法彻底消除，因此声发射技术的应用也受到诸多限制。

1.3 技术特点

声发射检测的目的为：确定声发射源的部位、分析声发射源的性质、确定声发射发生的时间与荷载、评定声发射源的严重性等。随着技术的不断更新，声发射技术在金属检测中的应用也更加广泛。一般情况下，对于超标声发射源，需要利用其它无损检测法来进行局部复检，以确保检测的准确性，明确缺陷的性质与大小。声发射技术是基于动态检验的角度下，通过对被测物体的能量检测而得到检测结果；该技术对线性缺陷比较敏感，它能探测因外力作用而导致的缺陷活动状况，静态缺陷不会产生发射信号；可以提供缺陷随着外界条件的变化而变化，如时间、温度、载荷等，信息具有实时连续性的特点，因此可以用于早期临近破坏的检测；该技术不宜在高低温、核辐射、易燃易爆等环节应用。声发射检测的校准包括在试验室内对仪器硬件灵敏度和一致性的校准，在现场对已经安装好传感器的整个声发系统灵敏度和定位精度的校准。对仪器的校准需采用专用的电子信号发声器来产生各种标准函数的电子信号，直接输入前置放大器活仪器的主放大器。对现场已经安装好传感器整个声发系统灵敏度和定位精度的校准应用在被检测金属材料上可发射机械波的模拟声发射信号。

1.4 检测仪器

对仪器硬件系统的校准直接采用专用的电子信号发声器来产生各种标准函数的电子信号直接输入前置方法器或仪器的主放大器，来直接测量仪器采集这些信号的输出。例如，GB/T18182-2000标准规定，仪器的门槛精度应控制在±2dB范围内，处理器内的幅度测量电路测量精度为±2dB，处理器内的能量测量信号精度为±5%，同时满足信号能量的动态范围不低于40dB。声发射技术在金属检测应用中所包括的仪器主要分为两大类，一是单通道声发射检测仪器、二是多通道声发射源定位，以及数据分析系统。前者主要由换能器、前置放大器、衰减器、数模转换器构成；后者是在前者基础上增设了数字测定系统、数据处理系统、外围现实系统等。

2 声发射技术在金属材料检测中的应用

在外力作用下，金属材料的内部会生成力场，并发生相应的应变。当外力增加，应变也会随着增加，这个时候材料便会产生较大的能量，处于不稳定状态。金属材料最常发生的应变便是塑性形变、断裂，是在不同时间下产生的松弛应力所表现的形式，释放出的部分能量会以应力波的方式传输，从而引发声发射。

2.1 检测塑性形变

图1 金属材料塑性变形内部结构图

声发射技术对塑性形变的检测应用最常见的材料便是低合金钢，在屈服极限附近，形变最大，声发射信号也会出现峰值。产生塑性变形声发射的根本原因是金属材料的内部出现不均匀受力或微观屈服。在金属材料行列，常见的塑性变形类型主要包括滑移、孪生两类。滑移是在切应力的作用下，材料部分分子沿着一定的滑移面和滑移方向相对另一部分分子发生相对移位的现象。孪生是指在切应力的作用下，分子的一部分以一定的孪生面为对称面和一定的孪生方向与另一部分分子发生相对切变的现象。滑移所需能量小，变形时优先考虑，当错位在运动中因相互缠结而无法靠其实现变形，便出现孪生。当两类形变都难以实现时，便会在外力的继续作用下发生扭折。基于声发射信号的角度来看，滑移属于连续性信号，而孪生则为突发性信号。金属材料在加工硬化阶段会因为位错密度的急剧提升而减少了位错的可移动性，声发射的动态变化也会减少。从物理概念上来讲，金属的塑性变形是不可逆的，所以声发射也是不可逆的，在同等灵敏度条件下，当超过之前所施加的最大应力之前，没有出现能够被电子设备所探测的声发射，则将其称为凯瑟效应。它对金属塑性变形检测具有关键意义，能够判断是否经受过最大应力。大多数金属材料在进行声发射检测时都会出现凯瑟效应。但此效应并非是永久性的，在二次加载以前，如果把材料静止足够长的时间，或者事先进行加热处理，那么在达到最大载荷之前都会出现声发射。对塑性形变声发射检测结果造成影响的因素主要有金属自身的性质、材料分子组成结构等。如非金属夹杂物便会在检测中增加形变时产生的声发射信号。对于多晶体材料，声发射信号也会随着晶粒大小、均匀性、取向等变化而变化。其次，应力的加载条件、构件几何形态等均会对材料的塑性变形带来较大影响。

2.2 检测断裂与裂纹

金属声发射检测技术的最初应用便是对断裂与裂纹的检测，由于构件内部裂纹往往会产生极大的风险，借助声发射技术检测可以在早期对裂纹变化进行动态、实时检测，并具有较高的灵敏性、无损性，因此是其他检测技术无法相比的。应项材料断裂的因素较多，不同的断裂环境所差生的声发射信号也有很大差异。如高强度钢受到荷载时，裂纹尖端会形成塑性区，并发射声信号，裂纹逐步扩展，声发射的动态变化也会增强，并差生较强的振幅。而超高强度钢直至断裂的这个过程也只产生少量的AE事件。因为该材料的裂纹扩展量较小，抑制了声发射的活动性。断裂往往是突发性变化，因此容易被检测。高断裂韧性金属材料在受到平面应力的作用时，一般会以微孔聚合的方式出现断裂，断裂尖端的塑性区、裂纹稳态扩展会产生声发射。

图2 金属构件内部裂纹