應(yīng)用聲發(fā)射評(píng)定金屬點(diǎn)蝕過(guò)程的研究進(jìn)展

???? 摘要: 點(diǎn)蝕是金屬腐蝕中最危險(xiǎn)的腐蝕形態(tài)。文章介紹了目前應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)金屬點(diǎn)蝕進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法,認(rèn)為應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)探測(cè)鋼點(diǎn)蝕,無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室條件下還是在實(shí)際工程上,都是一種有效的工具。但是關(guān)于聲發(fā)射信號(hào)源的產(chǎn)生,學(xué)者們卻持不同的觀點(diǎn)。他們認(rèn)同的一種觀點(diǎn)是點(diǎn)蝕的擴(kuò)展伴隨聲源活動(dòng)性的增加,而且在點(diǎn)蝕速率和聲源活動(dòng)性之間存在一定的相關(guān)性。結(jié)果證明聲發(fā)射技術(shù)的特殊性質(zhì)正適合于對(duì)結(jié)構(gòu)材料的監(jiān)測(cè)。
????? 關(guān)鍵詞: 聲發(fā)射(AE);金屬點(diǎn)蝕;評(píng)定
????? 1 引言
????? 點(diǎn)蝕是一種高度集中的局部腐蝕形態(tài), 其破壞性比全面腐蝕大得多。特別是不銹鋼在含有氯化物的介質(zhì)中往往易產(chǎn)生點(diǎn)蝕, 其結(jié)果是在材料表面幾乎保持原樣的情況下有蝕坑形成, 小而深的孔可能使金屬板穿孔,引起物料流失、火災(zāi)、爆炸等事故,它是破壞性和隱患最大的腐蝕形態(tài)之一。雖然目前有很多研究點(diǎn)蝕的方法,如循環(huán)極化(最常用的方法)、微觀金相學(xué)、維氏硬度測(cè)量、決定點(diǎn)蝕電壓的推斷法
????? 和熱電流法,但它們都不能應(yīng)用于工程實(shí)踐。聲發(fā)射(AE)技術(shù)具有對(duì)研究的材料無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn),因此是實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究點(diǎn)蝕的有效方法。
????? 2 聲發(fā)射技術(shù)概述
????? 聲發(fā)射是指物體在受到形變或外界作用時(shí)，因迅速釋放(彈性)能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的一種物理現(xiàn)象。其基本原理為:當(dāng)材料中有聲發(fā)射現(xiàn)象究工作。發(fā)生時(shí)由聲源發(fā)射出的每一個(gè)聲信號(hào)都包含了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷性質(zhì)和狀態(tài)變化的豐富信息。因此，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理就是用靈敏的儀器來(lái)接收和處理這些聲信號(hào)，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射源特征參數(shù)（能量、計(jì)數(shù)、事件、延遲、上升時(shí)間等）的分析和研究，推斷出材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部活動(dòng)缺陷的位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)展趨勢(shì)。若將背景噪聲識(shí)別和輔助信息（例如載荷、位移、溫度和應(yīng)變等）的綜合分析考慮在內(nèi)。
????? 3 應(yīng)用聲發(fā)射探測(cè)金屬點(diǎn)蝕過(guò)程的理論研究進(jìn)展早在20 世紀(jì)80 年代就有不少學(xué)者研究過(guò)腐蝕過(guò)程的聲發(fā)射現(xiàn)象, 并試圖利用AE技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)腐蝕過(guò)程。當(dāng)時(shí)研究較多的是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程中的聲發(fā)射。由于一般采用窄帶AE傳感器接收信號(hào),并使用參數(shù)分析方法，人們很難將接收到的AE信號(hào)與產(chǎn)生AE的源機(jī)制相聯(lián)系。因此,有關(guān)這方面的研究一直進(jìn)展不大。20 世紀(jì)90 年代后,隨著全數(shù)字聲發(fā)射儀器和寬帶AE傳感器的出現(xiàn),加上模態(tài)聲發(fā)射理論的建立,人們?cè)谘芯吭礄C(jī)制方面取得不小進(jìn)展, 這也為研究金屬點(diǎn)蝕過(guò)程產(chǎn)生AE的源機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)對(duì)金屬點(diǎn)蝕的AE源機(jī)制作了深入的理論研究,指出點(diǎn)蝕是由于(鈍化)膜破裂引起的,而伴隨膜破裂過(guò)程會(huì)向物體施加一作用力,從而產(chǎn)生應(yīng)力波即聲發(fā)射。另外,在腐蝕發(fā)生時(shí),微小氫氣泡的破裂也會(huì)產(chǎn)生AE信號(hào),其原理與膜破裂相同。文獻(xiàn)認(rèn)為該力可分為沿板平面方向(IP)分量和垂直板平面方向的(00P)分量。其板結(jié)構(gòu)坐標(biāo)示意圖見(jiàn)圖2。通過(guò)計(jì)算,金屬點(diǎn)蝕AE信號(hào)有典型的擴(kuò)展波和彎曲波特性。根據(jù)聲波到達(dá)兩傳感器的時(shí)差可以估算出其傳播速度,從而與噪聲信號(hào)相區(qū)別。為了證明聲發(fā)射確實(shí)可以檢測(cè)到金屬腐蝕信號(hào),
????? 計(jì)算出板厚為2mm的合金鋁在其膜破裂過(guò)程中產(chǎn)生的F力（僅先考慮縱波的貢獻(xiàn)）在垂直方向的質(zhì)點(diǎn)位移為9×10.15相應(yīng)于該位移所產(chǎn)生的電壓值為17uV，由于該電壓遠(yuǎn)大于前置放大器的輸入噪聲水平（2.5uV有效值或7.5uV峰值),從而從理論上說(shuō)明點(diǎn)蝕過(guò)程中的氣泡或膜破裂所產(chǎn)生的聲信號(hào)是可以被檢測(cè)到的。
????? 4 應(yīng)用聲發(fā)射探測(cè)金屬點(diǎn)蝕過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展
????? 國(guó)外的一些學(xué)者在應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)點(diǎn)蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)方面做了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。希望能將金屬腐蝕損傷與聲發(fā)射的某些參數(shù)建立起聯(lián)系。
????? Fregonese，Idrissi，Mazille，Renaud和Cetre對(duì)奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。將奧氏體不銹鋼316L放入pH=2的3%NaCl溶液中，測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)三電極系統(tǒng)，同時(shí)聲學(xué)信號(hào)是在陽(yáng)極極化和循環(huán)極化的情況下被記錄的，測(cè)量的目標(biāo)是腐蝕的起點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采用MISTRAS軟件，前置放大器和R15壓電傳感器（帶寬為100Hz～500kHz)。研究證實(shí)在記錄每個(gè)有效聲學(xué)信號(hào)之前都要產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間延遲，該時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)于聲發(fā)射信號(hào)中的延遲。同時(shí)，在循環(huán)極化和恒電位實(shí)驗(yàn)中觀察到一個(gè)電流密度閾值，這個(gè)閾值依賴于正在擴(kuò)展的坑蝕數(shù)，而對(duì)于易發(fā)生點(diǎn)蝕的試件來(lái)說(shuō)該閾值是很低的。
????? 研究表明，記錄的聲學(xué)信號(hào)與坑蝕周圍氫的發(fā)展有關(guān)。其中，Magaino觀察到在陽(yáng)極極化鋁（放置在含有20mg/1 Cu離子的0.05MNaC1溶液中）蝕坑不斷增加的過(guò)程中有氫產(chǎn)生。而Rettting和Felsena于1976年發(fā)表文章證實(shí)浸在鹽水中的鋁絲在腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的聲信號(hào)計(jì)數(shù)率與氫產(chǎn)生率之間存在線性關(guān)系。
????? Jones和Friesel研究了304系列不銹鋼的點(diǎn)蝕所持觀點(diǎn)與上述不同。雖然文中聲稱在點(diǎn)蝕過(guò)程中有明顯的聲學(xué)活動(dòng),但是認(rèn)為這與氣泡無(wú)任何關(guān)系。盡管他們還不是很清楚金屬腐蝕產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的過(guò)程,卻仍然確信聲源是由氧化層的破裂或者是由鋼材再鈍化過(guò)程中氯化物的覆蓋鹽層產(chǎn)生的。如果該過(guò)程成立, 那么只有大約3%的點(diǎn)蝕會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)活動(dòng)。
????? Mazille, Rothea 和Tronel 也開(kāi)展了有關(guān)奧氏體不銹鋼的研究。他們應(yīng)用聲發(fā)射連續(xù)監(jiān)測(cè)了本地水溶液引起的腐蝕破壞及其發(fā)展過(guò)程。將316L 奧氏體不銹鋼放置在3%NaCl 溶液中(pH=2)。在不銹鋼陽(yáng)極極化前研究人員記錄到了一些低幅度的信號(hào)。他們發(fā)現(xiàn)在陽(yáng)極極化過(guò)程中電流密度較高,并在有效聲信號(hào)出現(xiàn)之前存在一個(gè)較短的蝕坑開(kāi)始時(shí)間。當(dāng)點(diǎn)蝕發(fā)展到一定程度,即腐蝕尺寸和數(shù)量都很穩(wěn)定并且非常高時(shí),這時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射事件是十分有用的。他們注意到發(fā)射出的聲信號(hào)是由腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣所致。根據(jù)聲發(fā)射事件與點(diǎn)蝕之間的依附曲線圖,Mazille, Rothea 和Tronel 推斷出,AE技術(shù)通過(guò)相對(duì)準(zhǔn)確的點(diǎn)蝕速率和高的聲發(fā)射活動(dòng)之間的關(guān)系來(lái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)蝕的發(fā)展,是一種很有效的方法。
????? Cakir,Tuncell 和Aydin 從聲學(xué)上研究了在Hank's溶液(pH=4)中伸展很慢的316L 不銹鋼,并在點(diǎn)蝕電壓(+110mV / SCE)的陽(yáng)極方向上使其極化。研究者注意到, 在陽(yáng)極極化過(guò)程中很小的聲發(fā)射活動(dòng)產(chǎn)生很低的電流密度(i = 5μA/cm2),而在+110mV(SCE)以上的電壓作用下,陽(yáng)極電流密度隨著聲發(fā)射信號(hào)的增加而增加。這正說(shuō)明了聲發(fā)射信號(hào)的電化學(xué)性質(zhì)。在Hank's 溶液中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的試件,80%都記錄有AE信號(hào)。研究表明,不銹鋼至少在某一處發(fā)生了膜破裂(即使非常小),才會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào),而在鋼的變形過(guò)程中聲發(fā)射活動(dòng)性不斷增加。他們認(rèn)為AE信號(hào)源與材料點(diǎn)蝕的發(fā)生有關(guān), 更準(zhǔn)確地說(shuō)與保護(hù)層的破壞、氫氣泡的產(chǎn)生和金屬陽(yáng)極分解有關(guān)。
????? 耿榮生采用從飛機(jī)機(jī)翼上取下的、置于特殊溶液中的LY12 鋁合金試件進(jìn)行聲學(xué)測(cè), 用Mistras-2001 型聲發(fā)射系統(tǒng)記錄聲發(fā)射信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,聲發(fā)射能對(duì)腐蝕發(fā)生的初期,即腐蝕萌生加以預(yù)報(bào),而且十分靈敏。在點(diǎn)蝕過(guò)程中,真正由腐蝕產(chǎn)生的信號(hào)與噪聲信號(hào)有明顯區(qū)別，即腐蝕產(chǎn)生以彎曲波為主的聲發(fā)射信號(hào)，且有較寬的頻率分布范圍，而噪聲信號(hào)延續(xù)時(shí)間短、頻率范圍窄、幅度集中在40dB以下，這使得識(shí)別腐蝕AE與噪聲信號(hào)的工作極大地得到了簡(jiǎn)化。
????? 5 評(píng)述
????? 眾多學(xué)者應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)研究金屬腐蝕,目前已經(jīng)取得了一些階段性的成果:(1)從理論上證明點(diǎn)蝕過(guò)程中產(chǎn)生的聲信號(hào)是可以被檢測(cè)到的;
????? (2)認(rèn)為點(diǎn)蝕過(guò)程中的聲源是由保護(hù)層的破壞、氫氣泡的發(fā)展變化、金屬陽(yáng)極的分解而產(chǎn)生的;(3)獲得了聲發(fā)射事件總數(shù)與探測(cè)到的點(diǎn)蝕坑之間的良好數(shù)學(xué)關(guān)系,為AE技術(shù)提供了有關(guān)奧氏體不銹鋼點(diǎn)蝕過(guò)程中動(dòng)特性的信息而在研究過(guò)程中對(duì)材料并沒(méi)有破壞作用。
????? 綜上所述，AE技術(shù)在控測(cè)金屬點(diǎn)蝕方面確是一種有效的方法，但是應(yīng)用AE探測(cè)鋼點(diǎn)蝕的方法還不成熟，應(yīng)在AE信號(hào)與腐蝕損傷的建模、波的傳播等基礎(chǔ)理論領(lǐng)域繼續(xù)開(kāi)展研究工作，推進(jìn)聲發(fā)射技術(shù)在工程上的進(jìn)一步應(yīng)用。