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声发射检测原理概要

归档日期:07-03       文本归类:发射法      文章编辑:爱尚语录

  声发射检测原理 美国物理声学公司 孔德连 一、声发射技术 材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现 象称为声发射(AE),声发射是一种常见的物理现 象,大多数材料变形和断裂时有声发射发生,但许 多材料的声发射信号强度很弱,人耳不能直接听 见,需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来,用仪 器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号 推断声发射源的技术称为声发射技术。 声发射检测原理如下图所示,从声发射源发射的 弹性波最终传播到达材料的表面,引起可以用声发射 传感器探测的表面位移,这些探测器将材料的机械振 动转化为电信号,然后在被放大、处理和记录,人们 根据观察到的声发射信号进行分析与推断,以了解材 料产生声发射的机制 。 AE System 声发射源 (1)晶体材料包括金属的塑性变形、断裂、相变、 磁效应;岩石、陶瓷等非金属主要为微裂纹开裂和宏 观开裂。 (2)复合材料的声发射源包括基体开裂、纤维和基 体脱开、纤维拔出、纤维断裂和纤维松弛等。 (3)在声发射检测过程还可能遇到其他声源如流体 介质的泄露、氧化物和氧化层的开裂、摩擦源、液化 和固化、原件松动和间歇接触等。 声发射检测的主要目的是: (1)确定声发射源的部位; (2)分析声发射源的性质; (3)确定声发射发生的时间或载荷; (4)评定声发射源的严重性。 二、声发射的应用 目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法, 已被广泛应用于许多领域,主要包括以下方面: (1)石油化工工业:各种压力容器、压力管道和海 洋石油平台的检测和结构完整性评价,常压贮罐底 部、 各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。 (2)电力工业:高压蒸汽汽包、管道 和阀门的检 测和泄漏监测,汽轮机叶片的检测,汽轮机轴承运 行状况的监测,变压器局部放电的检测。 (3)材料试验:材料的性能测试、断裂试验、疲劳 试验、腐蚀监测和摩擦测试, 铁磁性材料的磁声发射 测试等。 (4) 民用工程:楼房、桥梁、起重机、隧道、大 坝的检测,水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视 等。 (5) 航天和航空工业:航空器壳体和主要构件的检 测和结构完整性评价,航空器的时效试验、疲劳试验 检测和运行过程中的在线) 金属加工:工具磨损和断裂的探测,打磨轮或 整形装置与工件接触的探测,修理整形的验证,金属 加工过程的质量控制,焊接过程监测,振动探测,锻 压测试,加工过程的碰撞探测和预防。 (7) 交通运输业:长管拖车、公路和铁路槽车及船 舶的检测和缺陷定位,铁路材料和结构的裂纹探测, 桥梁和隧道的结构完整性检测 三、声发射检测的优点 声发射检测方法在许多方面不同于其它常 规无损检测方法,其优点主要表现为: (1)声发射是一种动态检验方法,声发射探测到的 能量来自被测试物体本身,而不是象超声或射线探 伤方法一样由无损检测仪器提供; (2)声发射检测方法对线性缺陷较为敏感,它能探 测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况,稳定 的缺陷不产生声发射信号; (3)在一次试验过程中,声发射检验能够整体探 测和评价整个结构中活性缺陷的状态; (4)可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量 而变化的实时或连续信息,因而适用于工业过程在 线监控及早期或临近破坏预报; (5)由于对被检件的接近要求不高,而适于其它方 法难于或不能接近环境下的检测,如高低温、核辐 射、易燃、易爆及极毒等环境; (6)对于在用设备的定期检验,声发射检验方法可 以缩短检验的停产时间或者不需要停产; (7)对于设备的加载试验,声发射检验方法可以预 防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定 系统的最高工作载荷; (8)由于对构件的几何形状不敏感,而适于检测其 它方法受到限制的形状复杂的构件。 四、声发射检测的物理基础 1、凯赛尔效应 凯赛尔效应是德国学者凯赛尔在1963年研究金 属声发射特性时发现的。材料被重新加载期间,在 应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信 号。多数金属材料和岩石中,可观察到明显的凯赛 尔效应。 凯赛尔效应在声发射技术中有着重要用途: (1)在役构建新生裂纹的定期过载声发射检测; (2)岩体等原先所受最大应力的推测; (3)疲劳裂纹起始与扩展的声发射检测; 2、费利西蒂效应 在重复加载前,如产生新裂纹或其它可逆声发 射机制,凯赛尔效应则会消失。材料重复加载时, 重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射 的现象,称为费利西蒂效应,也可以认为是反凯赛 尔效应。重复加载时的声发射起始载荷P1对原先最 大载荷P2之比P1/P2,称为费利西蒂比。 费利西蒂比作为一种定量参数,较好地反映材 料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度,已成为 缺陷严重性的重要评定判据。 3、衰减 衰减就是信号的幅值随着离开声源距离的增加 而减小。衰减控制了声源距离的可检测性。因此, 对于声发射检验来说它是确定传感器间距的关键因 素。 传播衰减的大小,关系到每个传感器可检测的 距离范围,在源定位中成为确定传感器间距或工作 频率的关键因素。为了减少衰减的影响而常采取的 措施包括降低传感器的频率或减小传感器间距。 五、声发射信号的种类和参数 目前人为的将声发射信号分为突发型和连续 型。如果声发射事件信号是断续的,且在时间上可 以分开,那么这种信号就称为突发型声发射信号, 如下图所示。裂纹扩展、断铅信号等都是突发型声 发射信号。 如果大量的声发射事件同时发生,且在时间上 不可分辨,这些信号就叫做连续型声发射信号。如 下图所示。一般流体泄露,金属塑性变形等都是连 续型信号。 突发型声发射信号的各个参数 Db=20lg(v/1uv)-pre 撞击:超过门槛并使某一个通道获取数据的任何信 号称之为一个撞击。它反映了声发射活动的总量和 频度,常用于声发射活动性评

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