第2章 声发射检测的物理基础

第2章 声发射检测的物理基础 2.1 材料和形变 2.1.1 晶体和非晶体材料的结构 所有物体都是由原子构成的。对于固体材料来说，如果原子按一定的规则进行排列，则这些材料被称为晶体材料，比如金属、陶瓷、各种无机盐和各种岩石(包括钻石、矿石)等;如果原子以无序状态进行排列或者原子之间互相形成长链的大分子而大分子以无序状态进行排列，则这些材料被成为非晶体材料，比如玻璃、非晶态金属(由液态经过急冷而产生)和各种有机固体材料(包括塑料、、橡胶、木材)等。 大多数金属的典型结晶结构如图2.1至2.3所示。 (a) 分解开的视图 (b)整体视图 (c)简化视图 图2.1 封闭致密六边形 (钴、 锰、钛、锌) 图2.2 面心立方 图2.3 体心立方 (铝、铜、金、铅、镍、银、奥氏体不透钢) (铁、铬、钼、钛、锡、铁素体钢) 晶体中的原子在排列时会有缺陷产生(与焊接缺陷相比，此处为微观缺陷)，这些缺陷包括图2.4所示的点缺陷和图2.5所示的线缺陷，人们又将线缺陷称之为位错。位错是晶格中原子范围大小的线缺陷，结晶中的位错是由熔融状态下固化过程中形成的，典型的工程应用金属材料在每个微观的晶粒中就有几百万个位错，位错有两种不同的型式:刃型位错与螺型位错(如下图2.5所示)。 6 a)空位 b)间隙原子 c)点缺陷 d)杂质原子 图2.4 晶体中的点缺陷 a)刃型位错 b)螺型位错 图2.5 晶体中的线缺陷—位错 金属大多为多晶体材料，典型晶粒的大小为几微米到几百微米之间，晶粒之间的界面称为晶界。,在晶粒内部，有可能存在各种不同材料的微小的夹杂物，例如，铁素体钢中的部分碳可以形成Fe3C(碳化铁)，它具有自已的结晶结构，并在局部位置上代替了铁素体晶格。夹杂对金属的机械性能具有非常大的影响。图2.6为金属的晶粒结构图。 图2.6 金属的晶粒结构图 2.1.2 应力和应变 当我们对任何一个结构施加作用力(载荷)，或对任何一个容器进行加压时，就会在材料中产生应力。 应力的定义是材料单位面积上所受的作用力，根据物体的结构和加载方式的不同，物体内出现的应力状态也不同，分别有拉应力、压应力和剪切应力，如图2.7所示。实际物体结构中的应力要复杂得多，通常是这三种应力的组合。当我们只通过某个指定点在物体上施加作用力时，也会产生通过整个结构的作用力，而且物体内各点的大小和方向是不一样的，由此人们将物体内的应力称为应力场，数学上通常将应力场用如下应力张量来描述: Txx Txy Tyx Tyy Tyz Tzx Tzy 7 (a)拉应力 (b) 压应力 (c) 剪切应力 图2.7 应力状态示意图 应力所产生的变形称为应变，应变通过分数或百分数表示如下: 应变?长度的变化 初始长度 在应力和应变很小的条件下，固体材料是弹 性的性质，而且应力与应变成比例: 应力?强性模量 应变 当作用应力达到较高值的条件下，材料将会 发生塑性(永久的)变形。 应力的单位与压强的单位相同:Kg/cm2 和 MPa。 L C 图2.8 圆柱形压力容器的应力 圆柱形压力容器如图2.8所示，内压力P作用 下的薄壁圆柱形压力容器筒体承受两个方向的拉 伸应力，即轴向应力L和环向应力C: 2.1.3 弹性和塑性变形 L = PR 2TTC = PR 材料在应力作用下的行为如图2.9所示。在低应力状态下为弹性变形，即当应力消逝后，材料的变形也将消逝。在材料的应力超过屈服点之后，材料将产生塑性变形，即永久变形，此时即使材料的应力全部解除，材料 也不能回复到原来的状态。 8 应力 (载荷) 屈服 加工硬化 钢 弹性 铝 复合材料 应变(伸长) 图2.9 材料的应力应变曲线 金属的塑性变形分别由位错运动和孪生变形所引起。晶体内位错运动在原子尺度上引起晶格变形的机理如图2.10所示，图a)位晶体中的韧位错，图b)为剪切力作用下位错移动1个晶格的空间距离，图c)为位错已运动到晶体的边缘。 a) b) c) 图2.10 韧位错运动产生晶格变形的机理 晶体材料在应力作用下大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果: —— 滑移 —— 屈服 —— 留德尔斯线(钢) —— 裂纹尖端塑性区 —— 空隙增长和聚结 —— 韧性斯裂 孪生变形是在晶粒大小范围内整个晶格截面取向改变为两个完全相同的“孪生”(镜面)晶体。孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，但不发生在钢与铝中。图2.11为晶体中孪生产生的示意图。 图2.11 晶体中孪生产生的示意图 9 2.1.4 裂纹增长和断裂 (1) 裂纹和应力 内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要“围绕着”裂纹的边界产生集中。应力的集中作用将使裂纹尖端的材料产生变形，甚至破坏，而这时材料的其它部位还都处于强性范围以内。图2.12给出了有裂纹材料和无裂纹材料的应力场分布示意图。 由此，就解释了为什么裂纹是强的声发射源，而且在材料整体处于弹性范围时，裂纹和类似的缺陷确已经产生了声发射信号。 a)无裂纹的材料 b)带有裂纹的材料 图2.12 裂纹周围的应力场分布图 (2) 临界和亚临界裂纹扩展 “临界”是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，并且迅速地使部件断裂。已经证明，在裂纹尖端附近的应力场达到一定值的条件下，裂 纹将发生很快的扩展。 裂纹尖端附近应力场的强度通过“应力强度因子”K来描述，K值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。K的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹将很快扩展，同时部件将立刻断裂，用KIc来表示K的临界值，通常用于衡量材料的断裂韧性。 如果已知某种材料的断裂韧性以及在部件中所设定的应力场，根据上述的概念就能够计算临界裂纹的尺寸。在无损检测试验的实际工作中，我们经常遇到的问题就是能否检测到一定大小的裂纹，因此上述计算临界裂纹大小的概念正好与检验的实践相结合。 “亚临界”裂纹扩展就是发生在裂纹临界扩展发生以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下: a) 不断上升的载荷作用 b) 疲劳(循环或重复载荷) c) 应力腐蚀开裂 d) 氢脆开裂 e) 腐蚀疲劳 10 在评定裂纹是否将要扩展以及将要以什么速度扩展过程中，环境效应通常是很重要的因素。在亚临界裂纹扩过程中，声发射主要来自于两种声源: a) 塑性区、主开裂和夹杂的脱层; b) 裂纹前沿本身的向前运动。 (3) 裂纹扩展的形式 多晶体材料的断裂，可分为脆性断裂和韧性断裂;而在金属组织晶粒的尺度上又分为沿晶断裂和穿晶断裂;从断口的形貌来看又可分为解理断裂和疲劳断裂等。图2.13至2.18分别给出了这些断裂方式的示意图。 图2.13 脆性沿晶断裂 图2.14 塑性沿晶断裂 图2.15 拉应力作用下的塑性穿晶断裂 图2.16 切应力作用下的塑性穿晶断裂 A 初始解理 B 二次解理 C 晶间断裂 A 低应力-韧性 B 低应力-脆性 C 高应力 图2.17 解理断裂 图2.18 疲劳断裂 2.2 声发射源 人们经过近40年的研究已经查明材料中有许多种机制可以产生声发射源。声发射的能量一般由外加负载、相变潜热、外加磁场等来提供。现在人们所提出的大量声发射源模型大致可分为两大类, 一类将源看作一个能量发射器, 并用应力应变等宏观参量来得到这一问题的稳定解, 叫稳态源模型。另一类是应用局域在源附近随时间变化的应力应变场，计算与源的行为有关的动力学变化，叫动态源模型。 11 图2.19给出一个稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程。对于裂纹增长这样一个事件, 释放的能量仅有一部分转变为弹性波, 其它大部分转变为新界面的表面能、晶格应变能和热能。由图可见，如能测得源事件发射的弹性波能量和确定能量分配函数，就可以算出源事件的能量，这将 提供了解材料微观断裂过程的一种方法。然而，由于受源周围环境、能量释放速率、材料纵波和横波波速不同、表面波的色散等因素的影响，每个源的分配函数互不相同，探测器测量到的弹性能量随不同的位置而变化。 晶格应变能 新断口表面能 热能 弹性波能 图2.19 裂纹扩展期间释放应变能的分配过程 2.2.1 突发和连续声发射 材料内产生的声发射信号具有很宽的动态范围，其位移幅度可以从小于10-15 m到10-9m, 达到106量级(120dB)的范围。另外声发射信号的产生率也是变化无常的，所以目前人为地将声发射信号分为突发和连续发射。如果声发射事件信号是断续，且在时间上可以分开，那么这种信号就叫突发声发射信号，如图2.20所示;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声发射信号,如图2.21所示。实际上连续型声发射信号也是由大量小的突发型信号组成的，只不过太密集不能单个分辨而已。 图2.20 突发声发射信号 图2.21 连续声发射信号 2.2.2 晶体材料中的声发射源 人们经过近40年的研究已经查明晶体材料中的声发射源如表2.1所示。 12 表2.1 晶体材料中的声发射源 单位错运动 位错湮灭 位错群运动 滑 移 变 形 位错源开动 塞积位错解脱 滑移带形成 晶界滑动 应力感生栾生变形 栾 生 变 形 弹性栾生 孪生带的扩展 空洞聚合 裂 纹 形 成 微裂纹形成 应力腐蚀开裂 氢致裂纹开裂 升载时裂纹扩展 恒载时裂纹扩展 晶体材料 断 裂裂纹亚临界扩展 疲劳裂纹扩展 应力腐蚀裂纹扩展 氢脆裂纹扩展 裂纹失稳扩展 钢中非金属夹杂物 第二相质点或 钢中碳化物 夹杂物断裂或脱开 铝合金中时效相 焊 接夹渣 马氏体相变 相 磁 效 变 应 贝氏体相变 共 晶反应 凝固、熔化与沸腾 磁畴运动 2.2.3 非金属材料中的声发射源 人们进行声发射研究和应用的非金属材料主要为岩石、玻璃和陶瓷， 由于这些材料均为脆性材料，其强度很高，但韧性很差，因此其声发射源 主要为微裂纹开裂和宏 13 观开裂。 2.2.4复合材料中的声发射源 复合材料是由基体材料和分布于整个基体材料中的第2相材料所组成的。根据第2相材料的不同，复合材料分为3类:扩散增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料。与常规材料相比，复合材料具有强度高、疲劳性能和抗腐蚀性能好等优点，而且容易制造出结构较复杂的部件。 扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括:基体开裂和第2相颗粒和基体的脱开。而纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下6类: ?基体开裂 ?纤维和基体的脱开 ?纤维拔出 ?纤维断裂 ?纤维松弛 ?分层 ?摩擦 ?到?的声发射源如图2.22所示。 图2.22 纤维增强复合材料中的声发射源 2.2.5其它源 在声发射检测过程中有可能经常遇到的其它声发射源如下: ?流体介质的泄漏 ?氧化物或氧化层的开裂 ?夹渣开裂 ?摩擦源 ?液化和固化 ?元件松动、间歇接触 ?流体和非固体 ?裂纹闭合 2.3 波的传播 14 材料对于不平衡,动态力的响应就是弹性波传播。波的定义就是材料离开平衡位置的运动。 固体介质中局部变形时, 不仅产生体积变形, 而且产生剪切变形, 因此将激起两种波, 即压缩波(纵波)和切变波(横波)，它们以不同的速度在介质中传播，当遇到不同介质的界面时会产生反射和折射。任何一种波在界面上反射时都要发生波型转换，同时出现纵波和横波，并各自按反射和折射定律反射和折射。在全内反射时也会出现非均匀波。在固体自由表面还会出现沿表面传播的表面波。因此，声发射波的传播规律与固体介质的弹性性质密切相关。 波的理论研究中分别对点声源理论(圆形波前)、平面波理论(直线波前)、连续振荡波理论和短脉冲理论进行了研究。在波的理论研究中进行了大量的“假设条件”，通过简化几何条件才得到了数学的“波方程的解”。我们应用这些理论尽量来理解实际应用中所遇到的情况。但是，在 实际应用中很少能遇到像上述理论中所假设的“简单几何条件”。因此，这些理论也只不过是我们对实际情况的一种初步近似而已。 2.3.1 近场脉冲响应 图2.23所示为点加载脉冲源在材料表面上产生的位移迅速变化的示意图，这是理论与实验相符的唯一的情况。这一情况对声发射技术是十分有意义的，它通常用于声发射传感器的预标定。 冲击载荷 TIME2.0 图2.23点脉冲加载的源 点力阶跃脉冲力源F0H(t)作用于板时，板表面将产生相当复杂的运动。Knopoff 给出了在力作用点对面的垂直方向质点位移: Uz(b,0)?F0 2??b{w2(2w2?2?a?2)H(t?b/?) (2w2?2?a?2)2?4(w2?1)w(w2?1?a?2) 2y(y?1)(y?1?a)H(t?b/?) (2y2?1)2?4(y2?1)y(y2?1?a2)1 22221212??} 式中，w=?t/b 、y=?t/b、 a=?/?，而?是切变波速度、?是纵波速度、 ? 为剪切模量、b为板厚。式中括号内第一项是纵波贡献分量，而第二项是横波贡献，在板中来回反射的波的贡献(第三项之后)在式中略去。其中，最先到达的纵波(P波)的幅度为: 15 Uz?F0 2??b(?/?)2 对于具有一般形状的短脉冲力源f(t)，该处的速度响应为: ?Uz14?22v? ?(?/?)f'(t?b/?)?(?/?)f(t?b/?)2?t2??b2??b 可以看出，纵波的速度响应与力的变化率成正比，而切变波的速度响应与力的大小成正比。由此获得的厚板正对力源位置的垂直位移应当有如图2.24所示的形状，其纵坐标归一化到F0/2??b。 图2.24 表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移。 P、S分别相应于纵波、横波到达时刻 2.3.2 波的传播模式 声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、兰姆波等不同传播模式。 纵波(压缩波):质点的振动方向与波的传播方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播，如图2.25所示。 横波(剪切波):质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体介质中传播，如图2.26所示。 表面波(瑞利波):质点的振动轨迹呈椭圆形，沿深度约为1,2个波长的固体近表面传播，波的能量随传播深度增加而迅速减弱，如图2.27所示。 16 兰姆波:因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称型(扩展波)和非对称型(弯曲波)两种。 质点运动的方向 波传播的方向 ? = 波长 A——压缩区域 B——反射区域 图2.25纵波的传播 图2.26 横波的传播 波长 质点运动方向 波的传播方向 图2.27 表面波的传播 2.3.3 模式转换、反射和折射 在固体介质中，声发射源处同时产生纵波和横波两种传播模式。它们传播到不同材料界面时，可产生反射、折射和模式转换。两种入射波除各自产生反射(或折射)纵波与横波外，在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图 2.28。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为复杂，其示意见图2.29。 O一波源 L,纵波 S一横波 R,表面波 图2.28 波的反射与模式转换 17 O,波源 L,纵波 S,横波 R,表面波 图2.29 厚板中传播示意图 声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器，因而，波源所生一尖脉冲波到达传感器时，可以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂次序，分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形，有时长达数ms。在钛合金气瓶上，对铅笔芯模拟源的响应波形一例如图2.30所示。除外，再加上后述传感器频响特性及传播衰减等的影响，信号波形的上升时间变慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，而且对波形的常规参数也带来复杂的影响，应予以充分注意。 图2.30 波形的分离与持续 2.3.4 材料中的波速 波的传播速度，是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性，因而不同的材料，波速也不同。不同的传播模式也具有不同的传播速度。在均匀介质中，纵波与横波的速度分别可用下式表达。 Vl?E1??; ?t???(1，?)(1,2?)E1G ?(21，?)? 式中 Vt —— 纵波速度; ?t —— 横波速度; ? —— 泊松比; E —— 杨氏模量; G —— 切变模量; ? —— 密度。 18 在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的60%，表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，约分布在纵波速度和横波速度之间。在实际结构中，传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响，因而传播速度实为一种易变量。 传播速度，与波的频率和波长成正比，等于频率与波长的乘积。 波速,频率?波长 (C = f ? ?) 常用材料的波速如表2.2所示。 表2.2 声速和声阻抗表 2.3.5 几何效应 被检试件或构件的几何形状对波的传播有很大的影响，可以产生衍射、反射和折射等，并最终引起波的衰减或叠加。图2.31所示为小试件中的共振波形。 传感器 图2.31 试件中的共振波 19 2.4 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。 引起波衰减的原因有很多种，尤其与决定波幅度的物理参数有关。引起波幅下降的衰减机制也有多种，但并非所有的衰减机制都引起能量的损 失，某些衰减机制仅引起波的传播模式转变和能量的重新再分布，并无实际的能量损失。下面是波传播的几种主要衰减因素: 1) 几何衰减: 当波由一个局域的源所产生时，波动将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介质中，整个波前的能量保持不变，但散布在整个波前球面上，随着波传播距离的增加，波的幅度必定下降。 2) 色散衰减: 色散是在某些物理系统中波速随频率变化引起的一种现象。由于实际的声发射信号包括多种频率的分量，而波速,为频率的函数，波包中不同频率的分量在介质中将以不同的速度传播，因此随着波传播距离的增加，波包的幅度将下降。 3) 散射和衍射衰减: 波在具有复杂边界或不连续(如空洞、裂纹、夹杂物等)的介质中传播将与这些几何不连续产生相互作用产生散射和衍射现象。由于波的散射和衍射都能导致波幅下降(某些情况下增加), 两种情况都可引起波的衰减。最常见的散射原因之一是某些材料中不均匀晶粒引起的。例如粗晶结构的铸铁对1MHz以上频率范围的波产生明显的散射, 由散射引起的衰减也是十分显著的。 4) 由能量损耗机制(内摩擦)引起的衰减: 在上述讨论的波的衰减机制中, 如果固体为弹性介质, 所有波(原始波、反射波、散射波、衍射波、色散等)的总机械能保持不变。然而，在实际的介质中，波传播的总机械能不能保持不变，而是逐渐衰减。由于热弹效应，机械能可以被转变为热能。如果应力超过介质的弹性极限，塑性变形也引起机械能的损失。裂纹扩展将波的机械能转换为新的表面能，波与介质中位错的相互作用也可引起能量的损失和衰减。塑性材料的粘性行为、界面之间的摩擦和复合材料中非 完全结合的夹杂物或纤维都能引起波的能量损耗和衰减。磁弹相互作用、金属中的电子相互作用、顺磁电子或核子的自旋机制等都能引起波的能量损失和衰减。无论上述那一种机制引起机械能的损耗，波的幅度都将随波通过介质中的传播而下降。 5)其它因素:?相邻介质“泄漏”，即由于波向相邻介质“泄漏”而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介质，? 障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。 实际结构中，波的哀减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试验测得。例如，在被检件表面上，利用铅笔芯模拟源和声发射仪，按一定的间距测得幅度(dB),距离(m)曲线。图2.32给出了长12.2m，内径1.2n，厚度12.5mm的压力容器封头上，用不同频率测得的幅度一距离曲线。由图中可见随着频率的增加内摩擦也增加，衰减加快。 传播衰减的大小，关系到每个传感器可监视的距离范围，在源定位中成为确定传 20 感器间距或工作频率的关键因素。在实际应用中，为减少衰减的影响而常采取的措施包括:降低传感器频率或减小传感器间距，例如，对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器，而大面积监视则采用30kHz的低频传感器，对大型构件的整体检测，可相应增加传感器的数量。 图2.32 压力容器衰减曲线 2.5 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应 2.5.1 凯赛尔效应 材料的受载历史，对重复加载声发射特性有重要影响。重复载荷到达 原先所加最大载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯赛尔效应。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。 凯赛尔效应在声发射技术中有着重要用途，包括:?在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测:?岩体等原先所受最大应力的推定:?疲劳裂纹起始与扩展声发射检测，?通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰，?加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。 21 2.5.2 费利西蒂效应和费利西蒂比 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，也可认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声发射起始载荷(PAE)对原先所加最大载荷(Pmax)之比(PAE,Pmax)，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。树脂基复合材料等粘弹性材料，由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比大于1表示凯赛尔效应成立，而小于1则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于0.95作为声发射源超标的重要判据。 2.6 影响声发射特性的因素 声发射技术的应用均以材料的声发射特性为基础。不同材料的声发射特性差异很大。即使对同一材料而言，影响声发射特性的因素也十分复杂，如热处理状态、组织结构、试样形状、加载方式、受载历史、温度环境和 气氛等。对同一试样作声发射试验，在同样的内部和外部条件下，由于试样的声发射源不同，也会表现出不同的声发射特性。表2.3列出了通常影响材料声发射信号强度的因素, 并把它们分为内部因素和外部因素两大类。 表2.3 影响材料声发射信号强度的因素 22 23