图 1 AE检测原理示意
编辑：创始人 时间：2024-11-27 20:00:27
7050铝合金因耐腐蚀、质量轻和强度高等特点在航空航天等领域有着重要应用,常用于飞机结构、机翼、机身等零部件的制造[1]。飞机在飞行过程中常受到腐蚀、循环载荷、振动和热胀冷缩等作用,零部件易出现损伤甚至失效,因此在飞机设计和维护过程中需要不断改进监测技术,确保飞机的安全可靠运行。声发射（Acoustic Emission,AE）是一种常见的物理现象,指材料变形或者损坏而导致能量突然快速释放产生瞬态弹性波的现象[2],作为一种可以实时监测的无损检测技术,其能够直接反映材料内部的损伤和裂纹扩展情况。AE检测技术能够实时监测飞机结构的微小声音信号,及时发现潜在的问题,有助于提前预警可能出现的故障,提高监测的效率和可行性。
金属构件的腐蚀疲劳裂纹是在疲劳和腐蚀的双重作用下形成的,其快速扩展后会降低金属构件的服役寿命。AE技术可以连续监测材料内部局部源快速释放能量所产生的瞬态应力波,通过仪器检测、采集、记录材料的信号,再根据信号特征确定损伤大小、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[3],其原理示意如图1所示。AE在腐蚀监测方面有着十分广泛的应用[4-8]。在利用AE监测铝合金方面,HARRIS等 [9]对7075-T6 铝合金的疲劳裂纹扩展过程进行监测时发现,通过设置合理的模拟滤波器上下限和前置放大器增益,可以探测到低于10−6英寸/循环次数大小的裂纹扩展速率。MCBRIDE等[10]的试验结果表明,7075铝合金裂纹扩展产生较大的爆裂AE信号所需的条件是在相对较高强度的基体材料中存在足够大的夹杂物。BELLENGER等[11]利用AE监测铝合金的剥落腐蚀,结果表明AE活动和剥落速率之间存在明显联系。耿荣生等[12]利用AE监测铝合金腐蚀过程,发现AE能够比常规无损检测更早发现腐蚀损伤,并且得到了AE信号参数与腐蚀损伤之间的关系。CHANG等[13]用AE技术分析了LY12CZ铝合金极化腐蚀产生的腐蚀信号,结果表明阳极和阴极极化都存在两种波形。TRDAN等[14]研究表明,在铝合金腐蚀过程中,AE活动最强烈的是析氢源。ERLINGER等[15]使用小液滴NaCl溶液浸泡铝合金AA2024-T351试件来模拟大气腐蚀,表明腐蚀相关AE信号幅值和能量随试件表面电解质含量的增加而增加。然而,以往对AE信号进行无监督聚类分析时,AE信号参数的选取往往依赖于经验,可能导致所选参数不尽完善或存在局限。此外,目前的研究大多聚焦于某一特定类型的损伤,针对AE信号参数进行探讨,而缺乏对各种不同损伤类型的系统性研究。为了解决上述问题,文章利用AE监测7050-T7451铝合金在3.5% NaCl溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展,用AE设备全程采集腐蚀疲劳过程中产生的信号,利用层次聚类选取的聚类参数替代根据经验选取的参数,将利用K-means聚类方法得出的聚类结果与试件断口扫描图像相结合,探究7050铝合金在盐溶液中腐蚀疲劳的AE规律,为材料服役过程中的损伤研究提供依据。
试件材料为7050-T7451铝合金板,类型为紧凑拉伸C（T）试件,其形状及尺寸示意如图2所示,材料基本力学性能如表1所示。
| 弹性模量/GPa | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 延伸率/MPa | 断裂韧度/（MPa·m1/2） |
|---|---|---|---|---|
| 70 | 454 | 511 | 9.4 | 365 |
在试件表面预制5 mm裂纹,并在3.5%质量浓度的NaCl溶液中浸泡一天,取出试件后清理干净,为了更精准地监测裂纹信号的生成,传感器的安装位置选在裂纹附近,以确保其能够更有效地捕捉并传输相关信号。文章试验选择将传感器布置在纵向距离裂纹路径4 cm、横向在试件最末端的位置。将耦合剂均匀涂抹在AE传感器探头上并黏接于试件预设部分,用电工胶带固定传感器,随后将试件固定在疲劳试验机上,试件安装示意如图3所示。试验在E20000型双轴电子动静态试验机上进行,采用恒力加载,加载频率f为1 Hz,载荷P为7.8 kN,应力比R为0.1。用订做的环境箱保持溶液循环并使温度稳定在25 ℃左右,环境箱实物如图4所示。将试件半浸在溶液中进行疲劳试验,AE系统全程监测。试件拉断后,用赛默飞Prisma E SEM-环境扫描钨灯丝电镜观察断口形貌。
在试验过程中,利用美国物理声学公司的AE系统（PAC PCI-II）进行在线监测。设置前置放大增益为40 dB,信号门槛值为40 dB,采样率为1 MSPS,带通滤波为20~1 200 kHz,峰值定义时间（PDT）为300 μs,撞击定义时间（HDT）为600 μs,撞击闭锁时间（HLT）为1 000 μs。
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特征参数主要有计数、能量、上升时间、持续时间、幅值、平均信号电平（ASL）、有效值电压（RMS）、绝对能量、平均频率等[3]。铝合金试件的AE幅值和时间关联图如图5所示,可以看出,在拉伸过程中,AE信号幅值大部分都在60 dB之下,说明没有剧烈的AE信号产生,直到最后断裂阶段,幅值迅速提高。铝合金试件的平均频率和幅值分布图如图6所示,可以看出,大部分AE信号都在低幅值和低频率的范围内,然而在幅值较低的情况下,出现了较高的平均频率,低频率下出现了高幅值。
腐蚀疲劳裂纹扩展（Corrosion Fatigue Crack Growth,CFCG）过程中试件的声发射计数和累计计数时间历程图如图7所示,可以看出,整个裂纹扩展过程可以看作3个阶段：第一阶段,AE计数和能量少,AE累计计数缓慢增长；第二阶段,AE累计计数和累计能量稳步增大；第三阶段,AE计数和能量迅速上升达到高值,试件断裂。试件的AE能量和累计能量的时间历程图如图8所示,可以看出,初期能量分布均匀,1 750 s后出现较大的能量信号,且累计能量变化增快,在2 600~3 000 s时间内累计能量大幅提高,在5 150 s左右迅速提高。
NaCl溶液下,7050-T7451铝合金裂纹扩展的SEM断口形貌如图9所示。由图9（a）可以看出,其存在多个孔洞和夹杂物,在裂纹扩展的过程中,一旦遭遇硬度较大的第二相颗粒,裂纹会选择从其周围绕过,从而引发周围基体材料的塑性变形,并显著形成解理台阶[16]。图9（b）中可以看见明显的腐蚀坑以及河流花样,腐蚀介质和裂纹尖端发生电化学反应生成氢离子和腐蚀产物,腐蚀产物在交变作用下形成如图中上部边缘的龟裂特征[17],氢离子结合形成氢气析出。图9（c）中断口表面存在较大的平滑区域以及很多点蚀坑,且存在不同尺寸的二次裂纹,二次裂纹主要是裂纹尖端塑性变形引起,能够起到延缓开裂作用[18]。图9（d）中可以看出明显的疲劳条带,疲劳条纹是CFCG过程中的典型特征,大都被腐蚀产物所覆盖。
（1） 聚类参数选择
初步选取和材料损伤类型关联较大的上升时间、计数、能量、幅值、平均频率和绝对能量6个参数作为研究AE损伤的参数。由于不同AE参数数值大小量级不同,故将所有特征参数标准化,建立特征参数的相关矩阵,并用全链接的聚类方式进行层次聚类。其层次聚类结果如图10所示,结果表明平均频率、上升时间、绝对能量、幅值相似度高,故文章选取平均频率、绝对能量和幅值共同作为聚类分析的特征参数。
（2） AE信号无监督聚类
Davies-Bouldin（DB）指数通过比较簇内的方差与簇间的方差,来评估簇的紧密度与分离度,该指数越大表示聚类效果越好[19]。Calinski-Harabasz（CH）指数考虑了所有簇之间的平均紧密度和分离度,该指数越小表示聚类效果越好[20]。文章使用DB、CH两个指标用于评估聚类结果质量的优劣。DB和CH指标随K值变化曲线如图11所示,可见,聚类数K=5时,聚类结果最优。使用K-means聚类方法进行聚类,AE信号的聚类结果如图12所示,可以看出类与类之间差异明显。
AE信号能够反映铝合金内部的损伤信息,从其断口形貌可知,铝合金的CFCG损伤主要有第二相和夹杂物断裂、裂纹扩展、析氢、塑性变形引起的微裂纹、点蚀等。不同聚类结果的聚类中心AE参数值如表2所示（表中1 aJ=1.0×10-18 J）,不同参数值代表不同的AE信号源类型。在AE特征参数中,AE平均频率和绝对能量是能够反映AE事件物理机制的两个重要参数。平均频率是指在一定时间内所有检测到的AE信号频率的平均值,可以提供关于损伤产生机制的信息。绝对能量能够评估损伤的严重程度,更严重的损伤通常伴随着更高的绝对能量释放。
| 聚类 | 平均频率/kHz | 绝对能量/aJ | 幅值/dB |
|---|---|---|---|
| 1 | 413.98 | 3.75 | 41.53 |
| 2 | 1 001.00 | 1.29 | 40.74 |
| 3 | 68.86 | 36.25 | 43.77 |
| 4 | 92.03 | 625.80 | 53.79 |
| 5 | 197.89 | 11.53 | 42.39 |
由表2可以看出,聚类1和聚类2的绝对能量都较低,可以判断两者的损伤较小,但平均频率都比较高,因此这两种损伤类型频繁出现,而聚类2频率非常高,且试验过程中出现大量气泡,可以确定聚类2为气泡产生活动,聚类1为塑性变形微裂纹的产生活动。聚类4的绝对能量高,幅值最高,可以判定为第二相和夹杂物的断裂。聚类3和聚类5的幅值相当,但聚类3绝对能量大于聚类5的,而平均频率远小于聚类5的,故可以判定聚类3为裂纹扩展,聚类5为点蚀。
得到的CFCG过程中各类损伤模式AE累计能量和累计计数的演化过程如图13所示。大量研究将铝合金的腐蚀疲劳分为裂纹萌生、扩展和断裂3个阶段。由于铝合金试件预制了裂纹,所以可以较快进行扩展,结合图7,8,可以将铝合金CFCG整个过程分为以下3个阶段。
第一阶段,裂纹初始扩展阶段AE活动较弱,相比较而言,裂纹扩展活动释放的AE信号最强烈。
第二阶段,裂纹扩展信号快速增加,表明试件进入了裂纹稳定扩展阶段。可以看出铝合金点蚀的信号活动超过了塑性变形引发的微裂纹形成所产生的信号。随着时间的推移,夹杂物和第二相等物质的脱落会释放较大的能量,所累积的绝对能量值超过了除裂纹扩展之外的其他损伤形式累积的。这表明,在铝合金的腐蚀疲劳过程中,夹杂物与第二相脱落和裂纹扩展是两种主要的能量释放机制,二者对材料的损伤贡献显著。
第三阶段,夹杂物断裂和裂纹扩展信号快速增加,表明裂纹进入失稳扩展阶段。随着试件接近断裂,裂纹扩展的AE信号迅速升高,夹杂物和第二相断裂随着断裂的迅速发展也快速发展,腐蚀坑产生的信号活动稳步增强。
综上所述,可以推测出在腐蚀环境中,受腐蚀介质和交变应力作用后,裸露的金属表面会与腐蚀介质发生反应,生成氢气并释放到材料中。氢气的存在会降低材料的韧性,加剧裂纹的扩展。当铝合金受到交变应力作用时,其内部晶粒会发生塑性变形,从而在晶界或夹杂物处形成微裂纹。点蚀是铝合金在腐蚀环境中常见的局部腐蚀形式,点蚀坑的形成会破坏材料的连续性,降低材料的承载能力,同时,点蚀坑内的腐蚀产物和溶液会加剧应力集中,促进裂纹的萌生和扩展。铝合金中的第二相和夹杂物在应力和腐蚀介质的共同作用下容易发生断裂,断裂的颗粒或碎片可能成为裂纹扩展的障碍或通道,影响裂纹的扩展路径和速率,在腐蚀环境和应力的共同作用下,裂纹会不断扩展,最终导致材料的断裂失效。
采用无监督聚类方法对铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的损伤模式进行识别,得出以下结论。
（1） 通过层次聚类法筛选出平均频率、幅值和绝对能量这3个AE信号特征,采用K-means算法的无监督聚类分析识别了铝合金CFCG过程中的析氢、第二相和夹杂物断裂、塑性变形微裂纹、裂纹扩展和点蚀等损伤模式及其演化规律。
（2） 不同损伤类型在裂纹扩展过程中的作用机制和贡献度各不相同,通过聚类分析,定量评估了不同损伤类型对整体损伤演化的贡献。
（3） 使用声发射技术对铝合金CFCG的损伤类型进行聚类模式识别,并结合演化分析,为深入理解铝合金腐蚀疲劳损伤机制、优化材料性能以及提高结构安全性提供了有力支持。不仅丰富了铝合金腐蚀疲劳损伤的研究手段,也为其他金属材料的损伤识别和演化分析提供了有益的参考。
