（机械设计及理论专业论文）耐火材料受载损伤的声发射信号特征提取.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 耐火材料作为高温容器件中不可或缺的组成部分，是保障高温设备安全运行的关键。 耐火材料的微观损伤形式和程度决定了其宏观性能，微观损伤的实验表征对研究耐火材料 微观结构对性能的影响具有重要意义。本文利用声发射检测技术，对镁碳( m g o - c ) 质耐 火材料在三点弯曲试验中的损伤演化过程进行了试验研究。采用参数分析法、小波变换和 独立分量分析对声发射信号的特征参数和波形进行分析，提取了信号的特征，研究了材料 受载破坏的细观机理及损伤形式。本文所做的主要工作及结论如下： ( 1 ) 采用示差高温应力应变试验机完成三点弯曲试验，同时运用声发射检测设备采 集了声发射特征参数和信号波形。 ( 2 ) 利用参数分析法对声发射信号能量和频谱的质心频率历程图进行分析，得出 m g o c 质耐火材料受载破坏的损伤演化过程分为：起始损伤、损伤缓慢发展、损伤逐渐加 剧和试件整体断裂四个阶段，揭示了m g o c 质耐火材料受载破坏的损伤机理及各阶段的 特性。 ( 3 ) 综合运用小波变换和独立分量分析对不同损伤阶段的声发射信号进行波形分析， 实现了不同损伤源信号的分离和特征提取。研究表明：m g o c 质耐火材料受载破坏的损伤 形式分为：基质损伤和界面损伤。其中，基质损伤的特征频率范围是：7 8 1 5 6 k h z ( 原生 微裂纹处基体开裂) 和31 2 5 6 2 5 k h z ( 基质裂纹扩展) ；界面损伤的特征频率范围是： 6 2 5 2 5 0 m z ( 界面开裂) 。将小波变换与独立分量分析相结合进行不同损伤源信号的分离 及a e 信号的特征提取达到了较好的效果。基于声发射检测的耐火材料微观损伤实验表征 对大型工业炉装备的无损检测实践具有一定的参考价值，并为进一步研究耐火材料微观结 构与宏观性能之间的理论关系模型奠定了基础。 关键词：声发射技术；m g o c 质耐火材料；小波变换：损伤演化 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e f a c t o r ym a t e r i a l sa r et h ei n d i s p e n s a b i l i t yc o m p o n e n t so f 址曲t e r n p e r a n 鹏v e s s e l s ，锄d t 1 1 ek e yt oe n s u r em es a f eo p e r a t i o no f h i 曲t e m p e r 栅ee 州p m e n t t h e1 1 1 i c m s c o p i cd 锄a g e f o ma i l d d e 孕e eo fm a t e r i a l sd e t e 衄i n et 1 1 e i rm a c r o s c o p i cp r o p e n i e s m i c r o s c o p i cd a m a g e e x p e r i m e n tc h a r a c t e r i z a t i o nh a sag r e a ts i g m f i c a j l c ef o rs t u d y i i l gm i c r o s 臼m c t u r ei n n u e n c eo nt 1 1 e p r o p e r t i e so fm a t e r i a l s t h ea c o u s t i ce m i s s i o nt e c l l l l o l o g y ( a e ) w a su s e dt oi n v e s t i g a t et 1 1 e d a m a g em e c h a n j s mo fm g o cr e 盘l a c t o 巧u 1 1 d e rt i l r e e - p o i mn e x u r a lt e s t s a ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sa j l d 、a v e f 0 珊sw e r ea n a l y z e du s i n gp a r a m e t e r sa n a l 舛c a lm e t h o d ，w a v e l e tt r a n s f o m a i l di n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s f e a _ t l l r e so fa es i 弘a l s 、r eo b t a i n e d m o r e o v e r ，t 1 1 e 1 1 1 i c r o 。m e c h a i l i s ma n dd a m a g ef o n i ld 血n gt 1 1 e l o a d i n gd 锄a g ep r o c e s sw e r er e s e a r c h e d t h e m a j n 、0 r ka i l dc o n c l u s i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 et 1 1 r e e p o i n tf l e x u r a lt e s t so fm g o - cr e 矗a c t o r ) rw a sp e r f 0 肌e du s i n gd i 航r e n t i a l1 1 i 曲 t e m p e r a n l r es 仃e s sa n ds 缸a i nm a c h i n e a ec h a r a c t e r i s t i cp a r a i i l e t e r sa n dw a v e f o m sw e r e c o l l e c t e db ya c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i l l ge q u i p m e n t s ( 2 ) t h ea ee n e 唱ya n dc e n 0 i df k q u e n c yo fp o w e rs p e c t n 】i i lt i m e 1 1 i s t o 巧c h a r to f l e s i g n a l sw e r ea 1 1 a l y z e du s i n gp a r 锄e t e r sa n a j ) 吨i c a lm e t l l o d d a m a g ee v o l u t i o np r o c e s so fm g o c r e 矗a c t o r yi n c l u d e sf o u rm a j ns t a g e s ：i 1 1 i t i a ld 锄a g ep e r i o d ，d 锄a g ee v o l u t i o np e r i o d ，a c c e l e r a t e d d a m a g ep e r i o da i l ds p e c i m e no v e r a l lf a c t u r ep e r i o d t h ed 锄a g em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c s i ne a c hd a m a g ep h a s eo fm 9 0 - cr e 盘a c t o 巧m a t e r i a l sw e r ed e r i v e di i l t 1 1 e1 0 a d i i l gi 【a m a g e p r o c e s s ( 3 ) a es i g l l a l so fm g o cr e 胁t o r yd m 吨d i 舵r e n td 锄a g es t a g e sh a v eb e e na 1 1 a l y z e d b y w a v e l e t 仃a n s f o mc o m b i i l e d 谢t hi n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta i l a l y s i s ，a 1 1 da c t u a l i z et l l eb l i n d s o u r c es e p 删t i o na 1 1 df e a t u r ee x 仃a c t i o no fd i 髓r e n td 锄l a g es o u r c es i 弘a l s t h er e s u l t ss h o wm a t d a m a g ep a _ t t e m so fm g o cr e 疔a c t o d ，i 1 1 c l u d e s “om 咖t y p e s ：m a t r i xd a m a g ea n di 1 1 t e r f a c e d 撇a g e t h ec h 撇c t e r i s t i c 舶q u e n c i e so fm 撕xd 锄a g ei s7 8 1 5 6 k h z ( m 枷xc r a c k ) a 1 1 d 3 2 5 6 2 5 k h z ( n l a t r i xc r a c kp r o p a g a t i o n ) ；t h ec h a r a c t e r i s t i c 丘e q u e n c i e so fi n t e r f a c ed a m a g ei s 6 2 5 2 5 0 k h z ( i n t e r f - a c ed e b o n d i n g ) w a v e l e t 仃a i l s f o r n lc o m b 沁d 晰t 1 1i 1 1 d e p e n d e n tc o m p o n e n t a i l a l y s i sf o rb l 洫ds o u r c es e p a r a t i o na i l df e a t u r ee x 仃a c t i o no fa es i g l l a i si se 位c t i v e l y t h e e x p e r i m e n tc h a r a c t e r i z a t i o no fm i c r o s c o p i cd 锄a g eo fr e 触c t o r ym a t e r i a l sb a s e do na c o u s t i c e m i s s i o nd e t e c t i o nh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt l l en o n d e s 协l c t i v et e s t i i l go fl a 唱ei n d u s t r i a l 缸n a c e ，a n dl a i daf b u i l d a t i o nf o r 舢恤e rs t u d yo n 证l et 1 1 e o r ) rr e l a t i o nm o d e lo f 血c r o s c o p i c s 饥l c t u r ea n dm a c r 0p r o p e n i e so fr e 丘a c t o r ym a t e r i a l s k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) ；m g o - cr e f r a c t o r ) ，；w a v e l e t 仃a n s f o n i l ；d 锄a g ee v o l u t i o n 武汉科技大学硕士学位论文 第l 页 研究的工程背景及意义 第1 章绪论 耐火材料作为高温工业相关设备的内衬结构，具有较强的抗化学侵蚀和热冲击的能 力，它是为高温工业服务不可或缺的重要支撑材料。其中，耐火材料的种类、性能以及质 量能否满足其工作环境越来越高的要求，将直接关系到机械、冶金等相关高温行业的发展 情况。目前，耐火材料已得到广泛的应用，涉及到冶金、动力、机械制造、建材、能源、 国防、石油、化工等工业领域，尤其是在冶金工业中的应用，己占生产总量的5 0 0 【l j 。 因此，作为炼铁、炼钢等生产领域中高温工业炉的隔热保温材料，它是保障高温设备安全 运行的关键，耐火材料炉衬结构一旦发生损坏而未能及时发现处理，将会造成无法挽回的 巨大人员和财产损失。 我国每年因炉衬损坏要消耗大量的耐火材料，其中仅钢铁工业的消耗量就约占总量的 6 5 7 0 。而且，目前我国的耐火材料生产水平相对较为落后，与世界技术发达国家的吨 钢消耗量相比还存在很大差距。面对国际钢铁市场的激烈竞争和我国钢铁产业结构的优化 升级，不断改善钢铁企业相关产品的质量性能并减少生产成本的压力日趋增加。因此，研 究如何提高耐火材料炉衬的使用寿命，降低耐火材料的消耗量，对提高我国钢铁工业的国 际竞争力、减轻企业节能减排的压力将具有重要的意义。 镁碳( m g o c ) 质耐火材料是由高熔点的氧化镁和难于被炉渣浸润的高熔点石墨为主 要原料，同时加入适量的添加剂与结合剂并经过一系列生产工艺而制成的复合耐火材料。 由于m g o c 质耐火材料中使用的石墨具有优良的物理化学性能，从而在很大程度上改善 了镁砖本身耐剥落性差的最大缺点，使镁碳质耐火材料具有抗热震稳定性好、耐高温、抗 侵蚀能力强及抗高温蠕变等优异性能。因此，镁碳质耐火材料在交流电弧炉、转炉、直流 电弧炉的内衬以及钢包的渣线等部位得到广泛的应用【2 j 。近年以来，由于钢铁工业领域的 竞争不断加剧，对炼铁、炼钢等相关工业窑炉的生产工艺提出了许多新的要求，而且生产 中所用钢水的温度提高，使得精炼钢包内衬结构的工作环境更加恶劣，从而对m g o c 耐 火砖的性能提出了更高的要求【3 4 1 。由于m g o c 质耐火材料复杂的微观结构以及损伤形式 的多样性，使得材料在损伤过程中表现出高度的非线性力学特性，因而给材料性能的分析 以及材料结构的设计都造成了较大的困难。声发射( a e ) 技术作为一种新型的无损检测方 法，能够对材料内部的损伤破坏或服役设备的运行状况进行实时监测和预报，在很多方面 都优于传统的无损检测方法，目前已经在损伤检测领域得到广泛的应用【5 1 。通过声发射技 术对材料在受载损伤过程中产生的声发射信号进行采集，然后采用参数分析法对a e 信号 的相关参数进行分析，同时利用小波分析来提取声发射波形信号的特征，弄清m g o c 质 耐火材料在受载过程中的损伤演化和破坏形式，将为利用声发射检测技术进行大型工业窑 炉的损伤检测提供相应的技术支撑。因此，研究基于声发射检测的耐火材料微观损伤实验 表征方法对大型工业炉装备的无损检测实践将具有重要的意义。 本文以镁碳质耐火材料的微观损伤实验表征作为研究的基本出发点，一方面采用声发 第2 页 武汉科技大学硕士学位论文 射信号的参数分析法对m g o 。c 质耐火材料受载损伤过程中的a e 信号能量以及质心频率随 时间的变化趋势进行了研究，另一方面将小波分析和独立分量分析( i n d e p e n d e n tc o i n p o n e n t a n a l y s i s ，i c a ) 结合起来以提取不同损伤源的声发射波形信号的特征，从而弄清m g o c 质 耐火材料受载破坏的损伤演化过程以及各损伤阶段所对应的特性。 声发射技术的发展概述 材料或零部件在外载荷或内应力作用下产生变形或断裂等损伤，局部应力集中源快速 释放损伤能量而产生弹性波并经介质向外传播的现象称为声发射( a c o u s t i ce l n i s s i o n ，简称 为a e ) 。通过记录、分析声发射信号来探讨材料的损伤过程并推断不同声发射损伤源特性 的试验研究或无损检测技术称为声发射技术。 2 0 世纪5 0 年代初，声发射技术作为一种新型的无损检测方法最先于德国兴起【6 】。当 时，德国的凯瑟( k a i s e r ) 等人选择多种金属材料作为研究对象，分别对这些材料产生的 声发射现象进行研究，最后发现不同的金属材料都存在声发射不可逆效应，即凯瑟效应。 后来，这一效应作为声发射技术的依据在工程实践中得到广泛的应用。 2 0 世纪6 0 年代初，g r e e n 等人开始在无损检测领域引入声发射技术，并将这一新技术 成功地用在压力容器、核反应堆的冷却液泄露、固体发动机壳体、焊接延迟裂纹的检测等 方面【卜9 | 。d u l l e g a i l 【8 】等人针对声发射技术做了大量的工作，把声发射的测试频率提高到 1 0 0 k h z 1 z ，使声发射的应用范围得以增加，并大大地减少了背景噪声。2 0 世纪7 0 年 代声发射技术得到了快速的发展，美国的一些公司在声发射仪器设备和实验技术等方面做 了大量的工作，先进的检测系统实现了实时监测和数据分析处理，使声发射技术由实验室 研究阶段转向实际工程现场的设备完整性监测【1 0 1 。2 0 世纪8 0 年代初，声发射测试系统与 计算机技术实现了更好的融合，研制出了多种分析软件和相关设备。在此期间，声发射技 术在储罐、工业管道等许多新领域得到广泛的应用u 1 | 。 二十世纪七十年代初，声发射技术开始在我国逐渐得到应用【1 2 1 。随后的数年间，由于 广大研究工作者对这一技术的实践应用与完善使得我国的声发射技术得以迅速发展。从最 初的断裂力学应用，对锅炉、球形储罐和卧罐等压力容器的检测，发展到对复合材料、混 凝土、金属、岩石和木材等不同类型材料的损伤研究中。目前，这项技术已在我国电力工 业、石油、航空航天、化工、建筑、冶金、机械加工及制造等领域得到了广泛的应用，并 已根据实际应用环境及要求的差异研制出了多种不同型号的声发射检测设备【l 3 1 4 j 。 1 3 声发射技术在材料损伤检测中的应用现状 声发射检测技术在无损探伤领域的应用展现出了许多的优点，经过半个多世纪的发展 与完善，目前已广泛应用于各个行业。其中，在材料损伤检测方面声发射技术更是得到了 大量的应用，为了弄清材料的力学性能、微观结构、不同的损伤形式以及提高相关材料产 品的寿命，国内外研究人员利用声发射检测技术在这些方面做了大量的研究工作，目前已 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 经涉及的材料有复合材料、岩石、金属、非金属材料、混凝土等l l 工均j 。 复合材料都是由两种或多种特性不同的材料组成，属于一种多相材料，一般包括基质 相、界面相、颗粒相或纤维、添加剂和少量的金属材料，将上述各成分混练搅拌再经过一 定的工艺流程即可制成所需的试件。由于复合材料内部具有微孔隙、微裂纹、夹杂、磨损、 基质纤维界面结合不好等缺陷，再加上不同成分的热膨胀系数也存在差异，使得复合材料 表现出各向异性，并且其微观结构的组成形式和应力状态也具有很大的差别，所以不同复 合材料的损伤演化过程和破坏形式各不相同，相同材料在不同的外部载荷与内应力的共同 作用下其损伤机理也会表现出较大的差异。复合材料的损伤形式主要有：基质破裂、基质 与颗粒界面剥离、基质与纤维界面剥离、纤维断裂等。目前，研究这类材料受载损伤特性 的方法主要有两种：一种是根据材料本身性能的差异选用合适的声发射( a e ) 参数进行损伤 特性分析；另一种是对材料破坏时产生的声发射波形信号进行深层次的分析，提取信号的 特征，获取更多有关声发射损伤源的信息，从而弄清材料损伤演化的规律。 2 0 世纪7 0 年代，美、法、日等国的研究人员逐步将声发射技术应用到耐火材料性能 的无损检测中，研究内容主要包括耐火材料的热震稳定性评价、龟裂位置定位、破坏特性 研究、晶型转变检测以及耐火材料改进等方面，其中在抗热震稳定性的研究方面，取得了 良好的效果【1 7 ，1 剐。法国的m i u g e r 【1 9 。2 4 l 等人针对耐火材料在热循环载荷作用下的微观结构 损伤机制及其实验表征做了大量的研究工作，在宏观尺度上以杨氏模量作为反映材料损伤 的指标，采用超声波技术进行监测；在微观尺度上利用声发射技术对材料的损伤部位和程 度进行监测，最后综合分析宏观和微观两个尺度来解释耐火材料的损伤演化过程。m s u 玛e o n 【2 5 】等人研究了s i c b m a s 复合材料试样的损伤特性，对材料进行单向拉伸试验并 记录产生的a e 参数，通过对a e 信号幅度、事件计数以及能量等参数的分析，揭示了不 同组成形式试样的破坏机制和相应的损伤过程。n a g u c l l i 【2 6 】等人以玻璃纤维复合材料作 为研究对象，通过对试验数据进行分析得出：a e 信号的能量矩相比于峰值幅度的分布能 够更加有效地将脱胶开裂和纤维断裂两种损伤模式加以区分。金周庚【2 7 】运用声发射技术对 碳环氧复合材料进行试验监测，通过对材料破坏产生的相关a e 参数进行分析发现：幅度、 振铃计数、持续时间、费利希蒂比可以用来判别复合材料试样的损伤类型以及各损伤阶段 所表现出来的特性。b a h c k a sj g 【2 8 】等人对钛基复合材料受载破坏过程中的损伤特性进行试 验研究，得出：基质破裂、基质塑性变形、纤维整体断裂、纤维与基体界面脱粘等不同损 伤模式分别与a e 事件幅度具有很好的对应关系。n m o r s c h e r 【2 9 】以二维编织s i c s i c 复合 材料作为分析对象，采用单向拉伸、卸载、再加载的试验方式来研究材料的损伤机理。试 验过程中利用双探头对材料在破坏时产生的a e 信号进行全程动态检测，通过设定不同的 加载载荷进行多组对比试验，分别给出各组a e 数据的波形及相应的f f t 变换，通过信号 f f t 变换的频率特征来区分材料不同的损伤模式，另外还研究了a e 信号波形传播速度和 杨氏模量随着材料损伤发展的变化情况。g r e e n 3 0 】等人为了研究混凝土的声发射特性，对 不同混凝土在改变受力状态下的试验结果进行分析，证明声发射技术是监测材料损伤的有 利工具，根据对声发射参数的分析可以弄清混凝土损伤演化过程。熊谷正人等【3 1 ，3 2 1 利用声 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 发射技术对s i c 质耐火材料的弯曲试验过程进行监测，得到了反映材料损伤过程的曲线图 及相关a e 特性参数，研究结果表明通过对a e 参数的分析可以找到材料破坏的特性，龟 裂的传播及形式，并验证了a e 作为无损探伤手段的有效性。t h o m a sm e 1 y 【3 3 】等人选择的 试验材料为石墨环氧树脂复合材料，针对试样中纤维断裂和纵向开裂的声发射特性进行研 究，结果发现：纤维断裂这一损伤形式产生高幅值、高能量、高计数及较长持续时间的a e 信号；而纵向开裂产生的a e 信号表现出低幅值、低能量、低计数及较短持续时间等特征。 n s c h o i i j 4 j 等人采用声发射试验来研究短纤维增强热塑性树脂基复合材料在受载破坏过 程的损伤特性，对采集的声发射信号进行频谱分析，结果表明当基质损伤和和界面破坏发 生时会产生低幅值的a e 信号，纤维断裂产生高幅度值的a e 信号。 1 4 小波分析的发展概述 小波分析( w 打e l e ta m a l y s i s ) ，又称为小波变换，是上世纪8 0 年代后期才逐渐发展起 来的一门新兴学科，它是信号处理方法发展史上的重大突破。传统的傅里叶分析( f o u r i e r a n a l y s i s ) 方法从频域入手，是一种单纯的频率分析方法，它的频域分辨率最高且定位准 确，但是无法在时域对信号的特征进行分析1 3 引。随着信号处理技术的发展，出现了具有固 定大小窗函数的短时傅里叶分析方法，它能对信号的时域特性进行一定的分析，但由于缺 乏离散正交基，使得该方法也存在一定的局限性。小波变换既能从时域也能从频域对信号 进行分析处理，它采用伸缩、平移运算实现对信号的逐步细化，从而最终实现信号在低频 处频率细分，高频处时间细分，其最大的优势在于根据信号处理的需要不断变化时窗以确 保对信号所有细节信息的聚焦，从而克服了f o u r i e r 变换在信号处理方面的局限性。尤其在 对具有快速衰减以及非平稳随机性的信号处理方面，更体现出小波变换是一种非常有效的 信号处理方法。 自1 9 8 6 年以来，由于ym e y e r 、s m a l l a t 及i d a u b e c l l i e s 等研究工作者在小波分析函 数构造与方法运用方面的突出贡献，使得小波分析方法得以快速的发展，并逐渐成为现代 信号处理方法中的研究热点。随后的数年里，各国的研究人员和诸多企业都开始致力于对 小波分析方法的完善，从而掀起了小波变换理论与实际应用的研究热湖1 3 6 3 7 j 。 目前，小波变换已广泛应用于信号分析、语音合成、机械震动、计算机视觉、生物医 学、数学等众多研究领域，并取得了大量具有应用价值的科研成果。因此，小波变换也越 来越多的被应用于工程实际问题的解决中，使其逐渐成为国内外公认的信号分析与处理方 面的新兴技术。 1 5 小波分析在声发射信号处理中的应用 小波分析是以f o 血e r 变换为基础的，与f o u r i e r 分析相比，小波分析能够对信号进行 更全面、更深层次的分析，从而更有效的提取信号的时频域特征。小波分析的特点体现在 对信号分解后的高频分量可以采用较窄的时窗进行处理，对信号分解后的低频分量可以采 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 用较宽的时窗进行处理，这一特点使得小波分析无论是在时域还是频域都具备很好的局部 分析特性。因此，对于具有非平稳性、随机性和快速衰减特性的声发射信号，小波分析无 疑是处理此类信号的一种有效方法唧4 3 】。 由于小波分析方法在处理具有快速衰减特性的信号时体现出了强大的功能，从而使得 小波分析在声发射信号的处理中逐渐得到广泛的应用。2 0 世纪9 0 年代以来，小波分析技 术开始成为处理声发射信号的研究热点，国内外的科研工作人员在这方面做了大量的研究 工作。s u z u h m 】在研究复合材料微观损伤模式的过程中，将傅里叶分析和小波分析的处理 结果进行对比，结果发现经过小波分析对信号的处理能够获得更加全面的声发射源信息。 胡卫兵【4 5 】等人将小型压电片粘贴或安装在复合材料试样的内部，然后与外部的采集设备相 连构成动态响应的检测系统，利用小波分析对采集的信号进行处理，可以弄清材料结构的 损伤信息，包括损伤发生的时刻和损伤类型，从而实现对服役中的复合材料的损伤监测。 t 0 y a m a 【4 6 】以c f p r 复合材料作为研究对象，运用小波分析方法处理产生的声发射信号，通 过计算不同类型的波到达信号采集系统的时刻，从而可以实现对声发射损伤源的精确定 位。q ig 趾g 【4 7 】选择丙烯酸粘结陶瓷进行试验研究，针对a e 信号在传播过程中出现能量衰 减这一问题，运用小波变换予以分析。可以更加全面的获得声发射源的信息和材料的损伤 类型，并能有助于对整个声发射过程的认识。 1 6 本文主要的研究内容及技术路线 镁碳质耐火材料的破坏以及所表现出来的非线性力学行为是由于材料在外部载荷的 作用下其内部各相损伤演化的结果。为了准确描述耐火材料的显微结构和外载荷之间的相 互作用及材料的损伤情况，必须采用有效的试验方法记录和表征该过程，从而弄清耐火材 料在受载状态下的损伤过程。本文利用声发射这种动态无损检测技术对m g o c 质耐火材 料受载损伤的整个试验过程进行监测，并记录相关参数的时间历程图及a e 信号波形。经 过对比分析，选择适合反映耐火材料损伤情况的特征参数，采用多参数分析法揭示m g o c 质耐火材料受载损伤演化过程及各阶段所表现出来的特性；此外，通过对m g o c 质耐火 材料受载损伤产生的声发射信号进行傅里叶变换和小波分析，针对多种损伤源产生的混合 信号先采用独立分量分析进行分离，然后再结合基于小波分解系数的能量分析法提取信号 的能量特征，从而实现对m g o c 质耐火材料不同损伤类型的判别，并弄清材料的损伤演 化过程及发展规律。 文章的基本内容可以概括如下： 第一章绪论，分析了本课题研究的工程背景及意义，回顾了相关领域目前在国内外的 发展和应用现状，并给出了文章主要的研究内容、研究方法及结构安排。 第二章为声发射检测技术的相关理论知识。主要介绍了声发射产生的基本原理、特点、 在无损检测应用中的优势、不同的声发射源，影响声发射特性的因素以及主要的a e 信号 分析方法。 第三章叙述了本次研究的声发射试验前期准备工作、整个试验加载过程以及对试验中 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 采集的声发射数据的初步处理。介绍了m g o c 质耐火材料试样的各组成成分及其制作工 艺流程，相关的试验设备，声发射检测设备相关参数的设定，以及m g o c 质耐火材料三 点弯曲试验的过程。另外，从能够反映材料损伤特性的重点参数入手，选择声发射信号的 能量和质心频率作为研究对象进行分析，根据它们在材料受载破坏过程中的变化趋势以及 试样本身的特性，将材料的受载破坏过程分为不同的损伤阶段，得出m g o c 质耐火材料 的损伤演化过程及各阶段所呈现出来的特性。 第四章运用小波分析和独立分量分析相结合的方法来提取不同损伤阶段声发射波形 信号的特征。首先介绍了小波变换的相关理论知识、基于小波分解系数的能量分析方法、 i c a 的原理及f a s t i c a 的算法流程。然后分析了不同损伤阶段产生的a e 信号的特点，并 对不同损伤源产生的混合信号先通过独立分量分析进行分离，然后再利用小波变换提取信 号的能量分布特征，从而确定出不同的声发射源。 第五章先对整个文章进行归纳总结，然后对声发射技术和小波分析的实际应用以及有 待进一步研究的方面进行展望。 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 2 1 声发射的原理 2 1 1 声发射技术的概念 第2 章声发射技术的基本理论 声发射( a e ) 是指材料或零部件在外载荷或内应力作用下产生变形或断裂等损伤，局 部应力集中源快速释放损伤能量而产生弹性波并经介质向外传播的现象。几乎所有的复合 材料、金属材料在出现变形和断裂等损伤时都会产生相关的声发射活动。 在外部载荷的作用下，材料或零部件的内部所释放的声发射弹性波能够反映出材料或 结构内部损伤源的特性，所以将采集到的声发射信号进行适当的特征提取，能够对材料或 零部件的损伤机制进行相应的解释。运用相关的声发射仪器设备检测、采集、转换、处 理声发射信号并通过对声发射信号的深层次分析从而弄清损伤源的特性以及材料损伤演 化过程的技术称为声发射技术。图2 1 所示为声发射检测技术的基本原理。 图2 1 声发射技术基本原理 声发射是一种很普遍的物理现象，如材料中的裂纹产生和扩展、试件整体断裂、应力 再分配、摩擦以及撞击等都会导致声发射现象的产生，其弹性波以声波形式存在。声发射 信号的频带很宽，处于数赫兹到数兆赫兹的范围内；同时，其幅度的波动也较大，从微观 方面来看有位错运动、滑移、微裂纹产生和扩展，宏观方面表现为材料或结构大规模的断 裂。 材料或零部件在外力或内力的作用下出现损伤产生的弹性波，经介质传播到达物体的 表面，由于这一现象是材料内部应变能的快速释放，因此会引起材料表面的机械振动。经 过特定的声发射传感器对振动信号进行采集并转换成相应的电信号，然后再经前置放大 器、滤波器对信号进行放大和消噪，最后由声发射系统软件分析处理得到相应的特征参数， 同时还记录声发射波形。最后，利用信号分析方法对声发射信号的波形和参数进行深层次 的分析，从而弄清材料内部声发射源的特性。 2 1 2 声发射技术的特点 声发射检测技术是一种新型的动态无损检测方法，由于声发射信号来自于材料中的损 伤和缺陷本身，因此，利用声发射法可以对材料内部的缺陷进行实时监测，从而判断缺陷 的严重性并实时的掌握材料或结构的安全性。 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 声发射检测技术与超声波、涡流、x 射线等其他无损检测方法相比，主要有两方面的 基本差别： 1 ) 声发射技术检测的对象为动态缺陷，能够实时的监测缺陷的发展变化情况； 2 ) 所检测到的声发射信号来自缺陷本身，而不是通过外部设备发出信号对缺陷进行 检测。 声发射检测技术的主要优点： 1 ) 声发射技术是一种动态的检测方法，对线性缺陷较为敏感，可以对材料或结构内 部的缺陷活动情况进行实时监测与损失预报。 2 ) 与其它方法相比，声发射检测效率很高，能够对大型工业设备进行全面的检测， 在保证大型设备的安全运行中发挥了重要的作用。 3 ) 声发射检测设备便于安装，对于其它检测方法受到限制或难于进行检测的复杂构 件仍能有效地进行缺陷检测。 4 ) 对于工业生产中正在运行的设备也能进行定期检测，对生产工作的正常运转影响 小。 5 ) 声发射检测应用面广，对于复合材料、金属材料、木材、岩石、混凝土等不同材 料在出现损伤时产生的声发射都可以进行检测。因此，声发射技术已广泛应用于材料试验、 机械加工、石油化工工业、航空航天工业等领域。 声发射检测技术的主要缺陷： 1 ) 无法检测静态缺陷。 2 ) 在检测过程中，当缺陷产生的信号很微弱时，很难准确得到缺陷信号，容易受到 环境噪声和干扰信号的影响，从而不利于弄清声发射源的特性。 3 ) 材料中产生的声发射活动是不可逆的，所以在试验过程中不能通过重复加载的方 式来获得声发射信号，而且，材料受载损伤产生的声发射信号非常宝贵，由于人为的因素 导致实时检测数据的丢失将对试验结果的分析造成很大的影响。因此，在声发射试验过程 中，对信号的准确采集要求很高。 2 2 声发射源 声发射源，是指材料或结构件的局部发生流变、微裂纹的发生和发展及金属相变产生 声发射现象的机理源。在目前涉及到的工程材料中，能够形成声发射源的破坏形式主要包 括以下类型，如图2 2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 结晶材料源 复合材料源 塑性变形 滑移 f 位错运动 i 孪晶变形 夹杂物或析出物破坏 雾詈分离 亚临界裂纹扩展 纤维断裂 基材开裂 纤维基材分离 分层扩展 纤维抽出 颗粒开裂及界面分离 非金属材料源 细观开裂 f 微观开裂 l 宏观开裂 其它源 2 3 影响声发射特性的因素 升载时裂纹扩展 恒载时裂纹扩展 疲劳裂纹扩展 应力腐蚀裂纹扩展 氢脆裂纹扩展 压力泄露 摩擦及磨损 裂纹面闭合与摩擦 撞击 磁畴壁运动 燃烧 沸腾 凝固与熔化 氧化膜、锈皮和熔渣开裂 图2 2 声发射源 声发射是一种很普遍的物理现象，如材料中的微裂纹产生和扩展、试件整体断裂、应 力再分配、摩擦以及撞击等都会导致声发射现象的产生，所以任何与材料的微裂纹产生、 扩展或材料破裂等损伤机制有关的因素均会对材料本身的声发射特性造成影响，主要包 括： 1 ) 材料，包括各组成成分、组织、结构形式。例如，复合材料中的基质相、界面相、 粘合剂、纤维尺寸、纤维布置方向、铺层、残余应力，金属材料中的晶体类型、晶格尺寸、 夹杂物、第二相、内部缺陷等； 2 ) 试样，包括所用材料的尺寸大小、形状和制作方式； 3 ) 应力，包括受载情况、应力状态、应变率； 4 ) 环境，包括外部噪声、现场温度、机械结构件的振动、侵蚀介质等。 第l o 页 武汉科技大学硕士学位论文 基于以上因素的影响，在材料准备、试样制作、试验过程以及最后的信号处理中都需 要将这些因素加以考虑，从而确保准确检测声发射源的相关特性。 在实际的试验研究与工程应用中，由于不同材料的声发射特性都是以材料本身的性质 为基础的，即使对相同的材料来说，在不同的内部或外部条件共同作用下，其损伤源的不 同也会导致材料所表现出来的声发射特性出现差异【4 8 1 。因此，为了能够全面深入地弄清材 料破坏时的声发射特性，还需要进行更多相关的声发射试验以及机理研究。 2 4 声发射信号的分类 从声发射信号自身的特点出发，可以将a e 信号分为突发型信号和连续型信号两种基 本类型4 9 1 。其中，突发型声发射信号的特点为不连续、具有较高的幅值和快速衰减特性， 这类信号的产生主要与材料内部裂纹的形成、扩展和断裂以及孪晶变形等过程有关；连续 型声发射信号的特点为具有低幅值、连续，主要是由材料内部的交叉滑移、位错、塑性变 形等损伤所产生的。二者的波形如图2 3 所示。 - 一i 1 11 黔一 1 f r ( a ) 突发型声发射信号 i 、 j- i- i l ” i l一i山1圳uiill-l瑚 hi 。一lm 。l 。 。i _【 i i l 1 k- i i l 。r i _ 1 i - 一 阿 _ 一 r 1 。_ 一 1 i - f啊 哪 l i i1 一 ，1 _ ： j 声发射检测信号的处理方法 ( b ) 连续型声发射信号 图2 3 声发射信号的类型 声发射信号是材料或零部件内部动态缺陷信息的实时反映，所以它是声发射试验过程 中获得的最重要数据，这些复杂的参数和波形包含了丰富的损伤源信息，因此它是对材料 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 内部损伤源的特性进行分析的主要依据。在试验检测过程中，对于超过设定门槛值的信号 测量特性参数将会被记录下来。常用的突发型信号参数如图2 4 所示。 图2 4 突发型声发射信号参数 由于材料的损伤形式多样，不同声发射源产生的信号会存在差异。当声发射信号产生 之后，其波形在传播过程中会受到传播介质、环境噪声、反射以及衰减等因素的影响，从 而有可能导致信号波形发生畸变。通过以上分析可以发现，选择何种信号处理方法来对损 伤源发出的a e 信号进行有效的特征提取显得尤为重要。研究人员尝试了多种不同的方法 来提取声发射信号的特征【5 们。目前，主要分为参数分析方法和波形分析方法两大类。 2 5 1 声发射信号的参数分析方法 声发射信号参数分析方法在声发射信号分析史上最先得到广泛的应用，先通过计算机 对采集到的声发射信号进行初步的预处理，提取信号中具有代表性的量并转换成不同的声 发射特征参数，然后对其进行分析处理以获取声发射源的有关特性。对声发射信号进行分 析时常用到的特征参数包括事件计数、上升时间、能量、振铃计数、幅度、脉冲持续时间 等，这些参数占用计算机的存储空间小，便于后续处理和计算，有利于对被检测对象进行 长时间的动态实时监测。 由于声发射参数很多，且不同的参数都能提供一定的声发射源特征信息，因此，根据 研究对象的不同和试验条件的差异，选择不同的参数进行分析，得到的结果也会有差异。 但是声发射参数相比于波形信号已丢失了部分有关声发射源的信息，仅仅通过参数分析很 难全面获得声发射源的特征信息，所以需要借助相关的处理方法对波形信号进行深层次的 分析【5 1 ，5 2 1 。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 5 2 声发射信号的波形分析方法 声发射信号是由材料或结构件中的损伤源所产生，其信号波形所携带的丰富信息反映 了声发射源的损伤特性。仅仅对声发射参数进行分析很难全面了解不同声发射源的特性， 因此，随着信号处理技术的进步，a e 信号波形分析方法逐渐得到广泛的应用，并已成为 获取损伤源特性的主要方法【3 8 ，5 3 1 。 利用波形分析方法来处理声发射信号对信号的采集有一些特殊的要求，通常情况下需 要选用宽频带的传感器或探头采集声发射信号，从而尽可能的避免信号失真，同时确保在 整个频率范围内获得完整的波形信号。另外，由于宽频带传感器或探头具有灵敏度较低的 缺陷，因此在试验过程中需合理的布置声发射传感器的安装位置并在探头和试样接触面之 间涂上一层凡士林，以改善信号的传输效果，这将有利于获得完整的信号波形。目前，小 波分析方法是处理a e 信号波形时应用最为广泛的一种。 2 6 本章小结 本章从声发射的基本理论知识出发， 术的概念、优缺点及声发射信号的分类， 射信号处理方法。 主要介绍了声发射的产生、基本原理、声发射技 讨论了影响声发射源特性的因素以及主要的声发 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第3 章声发射试验过程与a e 特征参数分析 3 1 试验材料及试样 本次试验所选用的材料为镁碳( m g o c ) 质耐火材料，以高熔点的烧结镁砂作为颗粒， 镁砂细粉、高熔点的石墨及少量金属铝粉作为基质，树脂做结合剂为原料制成的复合耐火 材料。镁碳质耐火材料的化学成分如表3 1 所示，其中树脂的含量不计入材料的总体体积 分数。 表3 1m g o c 质耐火材料的各组成成分及体积分数 在试样的制作过程中，先按照表3 1 中的配比筛选、称量好所选用的各种原料，然后 在混辗机中进行搅拌混合。将各组成成分在混练机中搅拌、混合均匀之后，再利用压力试 验机压制成所需尺寸的试样，制作试样时所施加的压力为1 5 0 a ，试样尺寸为 1 2 5 m m 2 5 m m 2 5 皿n 。接下来将压制成的试样放在恒温鼓风干燥箱中进行烘烤，热处理温 度设置为1 1 0 ，保温时间为2 4 小时。经过上述的制作过程就可以得到用于试验研究的镁 碳砖试样，其整个的制作过程见图3 1 。 图3 1m g o - c 质耐火材料制作工艺流程图 3 2 试验设备及相关声发射参数的选择 由于镁碳质耐火材料的抗拉强度很低，用于拉伸试验的夹具不易制作，所以本次研究 采用三点弯曲试验。整个试验过程中采用示差高温应力应变试验机对镁碳砖进行持续加载 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 直至试样整体断裂，同时利用美国物理声学公司( p a c ) 生产的声发射信号波形采集仪器 ( p c i 2 型) 对试验过程中m g o c 质耐火材料受载损伤产生的a e 信号进行记录与分析。 用于试验的示差高温应力应变试验机的型号为州o 刚s t r a n ，该加载系统由计算机进行 控制，所能施加的最大载荷为5 0 0 0 n ，加载率为0 1 5 ( 聊2 s ) 。所使用的声发射系统软件 为a e w i n ，另外，对信号进行初步放大、滤波、转换等预处理的设备都已集成于声