Page 82 - 无损检测2024年第十一期
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马清和，等：
7050 铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的声发射监测
效率和可行性。 号，利用层次聚类选取的聚类参数替代根据经验选
金属构件的腐蚀疲劳裂纹是在疲劳和腐蚀的 取的参数，将利用K-means聚类方法得出的聚类结
双重作用下形成的，其快速扩展后会降低金属构件 果与试件断口扫描图像相结合，探究7050铝合金在
的服役寿命。AE技术可以连续监测材料内部局部 盐溶液中腐蚀疲劳的AE规律， 为材料服役过程中的
源快速释放能量所产生的瞬态应力波，通过仪器检 损伤研究提供依据。
测、采集、记录材料的信号，再根据信号特征确定损
1 试件制备和试验过程
伤大小、材料性能和结构完整性等方面的信息，进
而进行缺陷诊断和健康监测 ，其原理示意如图1所 1.1 试验材料
[3]
示。AE在腐蚀监测方面有着十分广泛的应用 [4-8] 。 试件材料为7050-T7451铝合金板，类型为紧凑
在利用AE监测铝合金方面，HARRIS等 对7075- 拉伸C（T）试件，其形状及尺寸示意如图2所示，材
[9]
T6 铝合金的疲劳裂纹扩展过程进行监测时发现， 料基本力学性能如表1所示。
通过设置合理的模拟滤波器上下限和前置放大器 1.2 腐蚀疲劳裂纹扩展试验
增益，可以探测到低于10 −6 英寸/循环次数大小的 在试件表面预制5 mm裂纹，并在3. 5%质量浓
裂纹扩展速率。MCBRIDE等 [10] 的试验结果表明， 度的NaCl溶液中浸泡一天，取出试件后清理干净，
7075铝合金裂纹扩展产生较大的爆裂AE信号所需 为了更精准地监测裂纹信号的生成，传感器的安装
的条件是在相对较高强度的基体材料中存在足够大 位置选在裂纹附近，以确保其能够更有效地捕捉并
的夹杂物。BELLENGER等 [11] 利用AE监测铝合金 传输相关信号。文章试验选择将传感器布置在纵向
的剥落腐蚀，结果表明AE活动和剥落速率之间存 距离裂纹路径4 cm、横向在试件最末端的位置。将
在明显联系 。 耿荣生等 [12] 利用AE监测铝合金腐蚀 耦合剂均匀涂抹在AE传感器探头上并黏接于试件
过程，发现AE能够比常规无损检测更早发现腐蚀 预设部分，用电工胶带固定传感器，随后将试件固定
损伤，并且得到了AE信号参数与腐蚀损伤之间的 在疲劳试验机上，试件安装示意如图3所示。试验
关系。CHANG等 [13] 用AE技术分析了LY12CZ铝 在E20000型双轴电子动静态试验机上进行，采用恒
合金极化腐蚀产生的腐蚀信号，结果表明阳极和阴 力加载，加载频率f为1 Hz，载荷P为7. 8 kN，应力
极极化都存在两种波形。TRDAN等 [14] 研究表明， 比R为0. 1。用订做的环境箱保持溶液循环并使温
在铝合金腐蚀过程中，AE活动最强烈的是析氢源。 度稳定在25 ℃左右，环境箱实物如图4所示。将试
ERLINGER等 [15] 使用小液滴NaCl溶液浸泡铝合金 件半浸在溶液中进行疲劳试验，AE系统全程监测。
AA2024-T351试件来模拟大气腐蚀，表明腐蚀相关 试件拉断后，用赛默飞Prisma E SEM-环境扫描钨
AE信号幅值和能量随试件表面电解质含量的增加 灯丝电镜观察断口形貌。
而增加。然而，以往对AE信号进行无监督聚类分析 1.3 试验过程的AE监测
时，AE信号参数的选取往往依赖于经验，可能导致 在试验过程中，利用美国物理声学公司的AE系
所选参数不尽完善或存在局限。此外，目前的研究 统（PAC PCI-II）进行在线监测。设置前置放大增益
大多聚焦于某一特定类型的损伤，针对AE信号参 为40 dB，信号门槛值为40 dB，采样率为1 MSPS，
数进行探讨，而缺乏对各种不同损伤类型的系统性 带通滤波为20~1 200 kHz，峰值定义时间（PDT）为
研究。为了解决上述问题，文章利用AE监测7050- 300 μs，撞击定义时间（HDT）为600 μs，撞击闭锁
T7451铝合金在3. 5% NaCl溶液中的腐蚀疲劳裂纹 时间（HLT）为1 000 μs。
扩展，用AE设备全程采集腐蚀疲劳过程中产生的信 2 结果与讨论
2.1 试验结果
2.1.1 铝合金腐蚀疲劳试验AE数据
AE信号分析方法主要有波形分析和参数分析
两种。文章在腐蚀环境下进行连续监测，波形数据
量较大，故采用参数分析方法。AE特征参数主要
图 1 AE 检测原理示意 有计数、能量、上升时间、持续时间、幅值、平均信号
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2024 年 第 46 卷 第 11 期
无损检测
