声发射技术的基础原理资料

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。
裂纹周围的应力场分布图
第三节 材料弹性和塑性变形
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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
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。
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。
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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。
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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。
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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。
• 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
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w 2 ( 2 w 2 - 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 )
• 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；
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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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。
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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 {
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
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。
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。

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。

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。
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。
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有机玻璃 钢 S
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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。
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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。

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 。