声发射技术在金属材料检测中的应用研究

2022-04-20贾斌

中国设备工程 2022年7期

贾斌

（内蒙古自治区特种设备检验研究院包头分院，内蒙古包头 014030）

金属材料在受力过程中容易产生变形、裂缝等问题，这严重地影响了材料的应用效果；在材料使用过程中，有必要进行材料动态、无损检测。声发射技术是金属材料检查中的常用手段，其能在节省时间和人力的基础上，大大提升了金属材料物理状态监测的效率和精准程度。

1 声发射技术原理特征

1.1 检测原理

现代工业生产中金属材料应用广泛，在实际应用中，受多种作用力影响，金属材料容易发生塑性变形或断裂问题，并且在变形过程中，材料本身会产生一定的次声频、声频及超声频，这些声频本身具有较高的应变能，声发射技术就是利用特定设备来检测这种应变能，并以此确定金属变形状况的一种技术；具体检测过程中，声发射检测技术检测的内容是电信号，其能在分辨电信号频率、声段特征的基础上，实现材料、结构内部的动态化、无损化检测。要注意的是，若金属材料保持静止状态，则无法进行声发射检测，而当金属材料正处于塑性变形会断裂过程时，基于该技术能实现金属材料缺陷严重性的准确检测。

1.2 检测特征

声发射技术在社会工业生产中应用广泛，其能在确定声发射源部位的基础上，实现发生源性质、时间与荷载的准确判断。金属缺陷检测中，声发射技术适用于动态缺陷检测，检测过程具有动态性、实时性的特征。同时，依托声发射技术能实现时间、温度、载荷等信息的全面检测，在缺陷检测中整体性较强。此外，从检测结果来看，声发射技术能在多种电子信号发声器实现多种电子信号的快速化、灵敏化检测，检测结果精准性突出。现阶段，声发射技术在航天、铁路、汽车、建筑等多个领域均得到了广泛应用，有效地满足了工业生产中金属材料缺陷检测的实际需要。

1.3 检测仪器

金属材料检测中，声发射技术仪器大致分为两种形态，一是就单通道声发射检测仪器，该设备其不仅包含换能器、前置放大器模块，而且涉及衰减器、数模转换器等单元。二是多通道声发射源定位仪器，此类仪器不仅包含单通道声发射检测仪器的诸多单元，而且新增了数字测定系统、数据处理系统。此外，外围现实系统也是多通道声发射源定位仪器的重要组织组成部分。在声发射设备仪行业之初，应在GB/T18182-2000标准的指导下，进行设备精准程度的系统控制（见表1）。

表1 声发射技术仪器精度控制

2 在金属材料检测中声发射技术的应用

2.1 塑性形变检测

金属材料在加工应用中会受到较大的应力作用，当受力不均匀或出现微观屈服问题时，材料会出现塑性变形问题，此时，会产生一定的塑性变形声发射现象，可通过声发射技术进行塑性变形检测。现阶段，低合金钢是最常见的一种待检测材料，该材料在屈服极限会出现较大的形变，此时，其声发射信号也会出现峰值。结合生产实际可知，金属材料的塑性变形包含滑移、孪生两种形态。其中滑移指在切应力作用下，材料部分分子会相对另一部分分子发生相对移位，这种移位往往沿着一定的滑移面和滑移方向产生。而孪生本质上是一种相对切变现象，该变化过程以孪生面为对称面，沿着一定的孪生方向发生。研究表明，金属材料在滑移时所需要消耗的能量较少，因此，在发生变形情况时需优先考虑，但是，材料因相互缠结无法靠滑移实现变形问题时，孪生变形现象会随之产生。

声发射技术在金属材料塑性变形检测中应用广泛，其中对金属材料滑移现象进行检测时，其检测信号具有连续性的特征，与之相对的是，孪生信号具有突发性的特征。工业生产中，金属材料会随着加工工艺的应用而硬化，此时，材料的位错密度会有所上升，受此影响，材料位错可移动性、声发射动态变化均会减少。同时，由于金属材料的塑性变形本身具有不可逆的特征，因此认为其声发射过程同样具有不可逆性。此外，凯瑟效应对于材料塑性变形检测具有深刻影响，在实际检测中，需重视凯瑟效应的系统把控，值得注意的是，为进一步提升声发射技术应用水平，提升金属材料塑性变形检测效率和精准程度，在检测技术应用阶段，除金属材料性质外，还应注重材料分子组成结构的有效分析，此外，需将应力加载条件、构件几何形态纳入考虑范围，提升检测技术应用的实际效益。

2.2 断裂与裂纹检测

当金属材料产生裂纹或断裂问题时，材料构件的性能会受到较大影响，这在一定程度上会降低构件的使用性能和使用安全性。新时期，在声检测技术下，可对金属材料裂纹、断裂等问题进行实时化、动态化的检测；并且相比其他检测手段，该技术具有灵敏性高、无损性强的特点。工业生产中，多种因素会引起金属材料断裂问题，并且在不同环境下，金属断裂所产生的声发射信号也存在较大差异。其中对于高强度钢金属材料而言，当材料荷载超出设计标准时，会出现断裂问题，并且在材料裂纹的尖端会形成塑性区，该塑性区形成过程中会产生一定的声信号，随着裂纹的扩大，材料的振幅会随之变大，同时，声发射动态变化也会逐渐增强。金属材料为超高强度钢时，即便材料荷载超标，到断裂前其裂纹扩展量也相对较小，这在一定程度上使得声发射的活动性降低，在材料断裂的瞬间，利用声发射技术能实现瞬时应变能信号的准确检测。此外，当高断裂韧性金属材料受到较大作用力变形时，材料断裂多以微孔聚合的形式展现出来，此时，断裂尖端的塑性区、裂纹稳态扩展会产生声发射现象，借助声发射技术可实现这种变化的有效检测。

3 金属检测中提升声发射技术应用水平的措施

3.1 声发射技术应用问题

结合实际应用情况可知，声发射技术在实际应用中上存在诸多问题。一方面，在金属制造过程中，开展声发射检测工作需考虑机械装置的应用特点，但是，有部分检测人员对机械制造机理、装置应用特征的研究不够深入，造成声发射检测技术的应用不够全面问题。另一方面，压力容器是现代工业生产中较为常见的一种设备，在对此类设备检测中，一些声发射技术仪器对压力容器形态及体积等要素的识别不到位，这在一定程度上降低了检测结构的精准性。此外，金属部件因荷载产生塑像变形是一个由徐变到渐变的过程，即在初期阶段，材料不会出现裂缝或断裂问题，但其材料已经因疲劳而损伤，声发射技术在此类疲劳损伤问题检测中存在一定缺陷，整体检出率不够，难以为金属设备的疲劳控制提供参考。

3.2 声发射技术应用措施

新时期，声发射技术在金属检测中的应用不断深入。要进一步提升声发射技术应用水平，在实际应用中，还应考虑以下要点：（1）在声发射技术应用之初，应深化对金属部件配置情况的调查，准确掌握金属材料形态、微观结构、制造机理、应用特征等信息，这样能有效提升发射技术在机械制造检测领域的应用的全面性。（2）现代工业生产中，压力容器应用广泛，应深化声发射技术在压力容器检测中的应用，在准确掌握压力容器体积、形状的基础上，实现压力容器压力布置及材料缺陷问题的有效检测。（3）在金属材料检测中，应深化材料微观结构的分析，积极研究声发射技术在金属部件疲劳性检测中的应用，实现金属部件疲劳损伤状况的有效判断，进而在部件损伤预测预报中，提升金属材料的应用水平。