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声发射技术论文

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声发射检测(特种设备系列教材)

更新日期:2017-4-17 14:09:34

前  言

 

本书是特种设备安全系列教材之一,主要用于从事对这些设备进行声发射检测I级和II级资格人员的培训,受全国特种设备无损检测人员资格鉴定考核委员会委托编写。

本书由沈功田主编。

本书主要编写人为沈功田、刘时风、戴光。第1章、第2章、第5章、第6章、第7章第1节和第2节、第8章由沈功田编写,第3章和第4章由刘时风编写,第7章第3节到第5节由戴光编写。

在本书的编写过程中,全国考委会的领导以及秘书处给予了有力的支持和全面的帮助,声发射专业委员会的李邦宪、关卫和、霍臻、蒋士良和刘哲军委员参加了教材的讨论,提出了许多很好的建议,并编写了部分试题。

由于时间仓促和编者水平所限,书中缺点和错误在所难免,欢迎批评指正。

 

                                                   编   者

                                                  2004年8月


目录

第1章 绪论... 5

1.1      声发射的概念... 5

1.2 声发射技术发展概述... 5

1.3 声发射检测的基本原理... 7

1.4  声发射技术的特点... 7

1.5  声发射技术的应用领域... 9

第2章  声发射检测的物理基础... 10

2.1 材料和形变... 10

2.2 声发射源... 16

2.3 波的传播... 19

2.4 衰减... 24

2.5 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应... 26

第3章 声发射波的探测... 28

3.1 探测处理转换过程——压电效应等... 28

3.2 传感器... 29

3.3 传感器的耦合和安装... 35

3.4 传感器的分类及用途... 37

第4章 声发射检测仪器系统... 40

4.1 信号电缆... 40

4.2 信号调理... 44

4.3 信号探测硬件设置... 45

4.4 声发射检测系统... 47

4.5数据显示和记录附件... 50

第5章 声发射信号处理方法... 52

5.1 经典信号处理方法... 52

5.2 定位技术... 61

5.3 高级信号处理技术... 76

第6章 声发射检测技术... 93

6.1检测仪器选择的影响因素... 93

6.2 检测仪器的设置和校准... 93

6.3 加载程序... 97

6.4 特殊检测的程序... 97

6.5 数据显示... 98

6.6 噪声源的识别... 98

6.7 噪声的拟制和排除... 99

6.8 数据解释... 99

6.9 数据评价... 100

6.10 报告... 101

第7章 声发射检测技术的应用... 102

7.1 压力容器... 102

7.1.1 资料审查... 102

7.1.2 现场勘察... 102

7.1.3 检验方案的制定... 102

7.1.4 传感器的安装... 103

7.1.5 仪器的调试... 103

7.1.6 加载试验过程中的声发射监测和信号采集... 104

7.1.7 声发射数据的分析和源的分类... 104

7.1.8 检验数据记录和报告... 105

7.1.9 应用实例... 106

7.2 压力管道... 119

7.2.1 压力管道的衰减特性测量... 119

7.2.2 压力管道的泄漏声发射信号及定位... 120

7.3 起重机械... 123

7.4 实验室研究... 126

7.4.1 裂纹扩展和断裂力学... 126

7.4.2 环境导致的开裂... 130

7.4.3 位错运动... 136

7.4.4 复合材料的声发射... 139

7.4.5 相变和相稳定... 141

7.4.6 残余应力... 147

7.4.7 其它材料特性应用... 150

7.5 其他结构应用... 151

7.5.1 常压储罐... 151

7.5.2 航空器... 155

7. 5. 3 桥梁... 159

7.5.4 岩体稳定性和地质滑坡监测... 166

7.5.5 阀  门... 169

7.5.6 泄漏探测和监测... 172

7.5.7 焊接过程的声发射监测... 174

7.5.8 转动设备... 179

第8章 声发射检测标准... 184

声发射检测习题集(含答案)... 186

声发射检测习题集... 196

 

第1章 绪论

1.1 声发射的概念

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(Acoustic Emission, 简称AE) ,有时也称为应力波发射。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。这种直接与变形和断裂机制有关的源,被称为声发射源。近年来,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,被称为其它或二次声发射源。

声发射是一种常见的物理现象,各种材料声发射信号的频率范围很宽,从几Hz的次声频、20 Hz~20K Hz的声频到数MHz的超声频;声发射信号幅度的变化范围也很大,从10-13m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大,就可产生人耳听得见的声音。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,需要藉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,人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。

1.2 声发射技术发展概述

    声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象,尽管无法考证人们何时首次听到声发射,但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象,因为纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射,而铜和锡的冶炼可追朔到公元前3700年。

  现代的声发射技术的开始以Kaiser五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即:“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”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。

  五十年代末,美国人Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起[5], 而且还得到一个重要的结论, 即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作, 首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具, 并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。

  六十年代初,Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 人们除开展声发射现象的基础研究外, 还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组,日本于1969年成立了声发射协会。

    七十年代初, Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制,他们把实验频率提高到100KHz-1MHz的范围内, 这是声发射实验技术的重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。

  随着现代声发射仪器的出现,整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用,尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录, 据他的统计, 到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。


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