声发射技术的基础原理

L
有机玻璃 钢 S
L



第二节 材料力学
• 应力——材料单位面积上所受的作用力。物体内的 应力称为应力场 。应力的单位：Kg/cm2 和 Mpa。 与压强的单位相同。 • 应力的种类——拉应力、压应力和剪切应力。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。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。

声发射信号的频率—几HZ到数MHZ，包括次声频、 声频（20HZ—20KHZ）、超声频。


声发射信号幅度 — 从微观的位错运动到大规 模的宏观断裂，变化范围很大，波长范围从 10-13m的微观位错运动到 1m量级的地震波； 传感器的输出可包括数μv到数百mv。不过多 数声发射信号为只能用高灵敏度传感器才能 探测到的微弱振动。 声发射检测技术 —— 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 。
• •
4 声发射技术的特点
声发射技术的缺点
• (1)对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场 检测经验。因为声发射特性对材料甚为敏感，又易 受到机电噪声的干扰。 • (2) 声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数 情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要 特作准备； • (3) 声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活 性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小， 仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。
断裂方式的示意
脆性沿晶断裂
塑性沿晶断裂
断裂方式的示意
拉应力作用下的 塑性穿晶断裂
切应力作用下的 塑性穿晶断裂
断裂方式的示意
解理断裂
疲劳断裂
第四节 声发射源
• 声发射源分类——稳态源、动态源。 • 稳态源模型——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。 • 动态源模型——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。 • 声发射的能量来源——一般由外加负载、相变潜 热、外加磁场等来提供。
4 声发射技术的特点
• • 声发射技术的优点 (5) 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) 对于在役压力容器的定期检验，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) 对于压力容器的耐压试验，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压力； (8) 适于检测形状复杂的构件。
声发射的概念
声发射——材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性 波的现象。 (Acoustic Emission, 简称AE) ，也称为 应力波发射。 声发射事件—引起声发射的局部材料变化。 声发射源 ——材料中直接与变形和断裂机制有关的弹 性波发射源。声发射源的实质是指声发射的物理源点 或发生声发射的机制源。材料在应力作用下的变形与 裂纹扩展，是结构失效的重要机制。 其它声发射源 ——流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与 变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源。也称 为二次声发射源。
第二节 材料力学
材料的应力应变曲线(应力与应变的关系)
第三节 材料弹性和塑性变形
• 弹性变形——材料在应力作用下产生变形，当应力 消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原 来的状态，这种变形即称为弹性变形。 • 塑性变形——材料在应力作用下产生变形，当应力 消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回 复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑 性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈 服点，材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原 来的状态。
2
声发射检测的基本原理
• 原理：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换为电信号，然后 再被放大、处理和记录。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。
3
• • • •
声发射检测的的主要目的
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。一般而言，对超 标声发射源，要用其它无损检测方法进行局 部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。
声发射效应
• Kaiser Effect—— 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。 • Felicity Effect——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。（PAE／ Pmax ），称为费利西蒂比。 PAE ／ Pmax < 0.95作为声发射源超标的重要判据。
5
声发射检测方法和其它常规无 损检测方法的特点对比
声发射检测方法 其它常规无损检测方法 缺陷的存在 与缺陷的形状有关 对材料的敏感性较差 对几何形状的敏感性较高 需要进入被检对象的要求较多 进行局部扫描 主要问题：接近、几何形状
缺陷的增长／活动 与作用应力有关 对材料的敏感性较高 对几何形状的敏感性较差 需要进入被检对象的要求较 少 进行整体监测 主要问题：噪声、解释
近场脉冲响应 •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，在材料表面上产生的位移迅速变化，这 是理论与实验相符的唯一的情况。 Knopoff给出了在力 作用点对面的垂直方向质点位移，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。
U z (b,0) = 2pmb F0 {
突发声发射信号
连续声发射信号
晶体材料中的声发射源
金属塑 性变形
滑移变形 孪生变形
裂纹形成
晶体 材料
断裂
裂纹亚临界扩展
裂纹失稳扩展
第二相质点（或夹杂物断裂或脱开）
相变
磁效应
马氏体相变、贝氏体相变等
磁畴运动
非金属材料中的声发射源
•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 和宏观开裂。
第二章 声发射检测的物理基础
第一节 材料的结构
• 晶界——晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几微 米到几百微米之间。
ຫໍສະໝຸດ Baidu

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。
第三节 材料弹性和塑性变形
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
第三节 材料弹性和塑性变形
孪生变形 • 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。
第三节 材料弹性和塑性变形
• 裂纹周围的应力场分布——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 。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。
第三节 材料弹性和塑性变形
稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程 （裂纹扩展期间释放应变能）
分配过程
源事件 应变能释放
晶格应变能 新断口表面能 热能 弹性波能
• 突发声发射信号 —— 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。 • 连续声发射信号 ——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声发 射信号。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 。 • 声发射信号动态范围 —— 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10-9 m, 达到106量级（120dB）的范围。
裂纹周围的应力场分布图
第三节 材料弹性和塑性变形
•
•
• • • • • •
临界裂纹——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。 断裂韧性——材料抵抗断裂的能力。用KIc来衡量材料的断 裂韧性。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。 亚临界裂纹——就是发生在临界裂纹发生以前的裂纹。 “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
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。
1、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。 2、纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下7类： ①基体开裂 ②纤维和基体的脱开 ③纤维拔出 ④纤维断裂 ⑤纤维松弛 ⑥分层 ⑦摩擦
×¾ ½ Ô Á ¦ Ô ´ ² ú É ú µ Ä ´ ¹ Ö ±» Î Ò Æ 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 ±ä Ê ¼ (ct/b) 2 2.5 3
Æ »Ò ¯Î »» éÒ ¹
P、S分别相应于纵波、横波到达时刻
• 反射和折射——声发射源处产生的纵波和横波。它们传播到 不同材料界面时，可产生反射、折射。
2
w2 (2 w2 - 2 + a 2 ) H (t - b / a )
-
(2 w - 2 + a ) - 4( w - 1) w( w - 1 + a )
-2 2
2 2
1 -2 2
-
-
2 y ( y 2 - 1)( y 2 - 1 + a 2 ) 2 H (t - b / b )
( 2 y - 1) - 4( y - 1) y ( y - 1 + a )

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。

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。

兰姆波（板波）——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。
纤维增强复合材料中的声发射源
其它声发射源 ①流体介质的泄漏 ②氧化物或氧化层的开裂 ③夹渣开裂 ④摩擦源 ⑤液化和固化 ⑥元件松动、间歇接触 ⑦流体和非固体 ⑧裂纹闭合 这是在声发射检测过程中有可能经常遇到的。
第五节 波的传播
• 波——就是材料质点离开平衡位置的运动（振动） 在材料中的传播。 • 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。
• GB18182：检测由金属压力容器压力管道的 器壁、焊缝、装配的零部件等表面和内部产 生的声发射源，并确定声发射源的部位及划 分综合等级。
4 声发射技术的特点
• • • • 声发射技术的优点 (1) 声发射检测是一种动态检验方法； (2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感； (3) 声发射检测在一次试验过程中能够整体 探测和评价整个结构中缺陷的状态； (4) 可提供缺陷随载荷、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；
2 2 2 2 1 2 2
1
}
• 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。
点脉冲加载的源
冲击载荷
TIME
2.0
• 具有一般形状的短脉冲力源f（t），该处的速度响应为纵波 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。 • 表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移。