應用聲發射評定金屬點蝕過程的研究進展

???? 摘要: 點蝕是金屬腐蝕中最危險的腐蝕形態。文章介紹了目前應用聲發射技術對金屬點蝕進行評價的方法,認為應用聲發射技術探測鋼點蝕,無論是實驗室條件下還是在實際工程上,都是一種有效的工具。但是關于聲發射信號源的產生,學者們卻持不同的觀點。他們認同的一種觀點是點蝕的擴展伴隨聲源活動性的增加,而且在點蝕速率和聲源活動性之間存在一定的相關性。結果證明聲發射技術的特殊性質正適合于對結構材料的監測。
????? 關鍵詞: 聲發射(AE);金屬點蝕;評定
????? 1 引言
????? 點蝕是一種高度集中的局部腐蝕形態, 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中往往易產生點蝕, 其結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、爆炸等事故,它是破壞性和隱患最大的腐蝕形態之一。雖然目前有很多研究點蝕的方法,如循環極化(最常用的方法)、微觀金相學、維氏硬度測量、決定點蝕電壓的推斷法
????? 和熱電流法,但它們都不能應用于工程實踐。聲發射(AE)技術具有對研究的材料無損害的優點,因此是實驗室和現場研究點蝕的有效方法。
????? 2 聲發射技術概述
????? 聲發射是指物體在受到形變或外界作用時，因迅速釋放(彈性)能量而產生瞬態應力波的一種物理現象。其基本原理為:當材料中有聲發射現象究工作。發生時由聲源發射出的每一個聲信號都包含了材料內部結構、缺陷性質和狀態變化的豐富信息。因此，聲發射檢測技術的基本原理就是用靈敏的儀器來接收和處理這些聲信號，通過對聲發射源特征參數（能量、計數、事件、延遲、上升時間等）的分析和研究，推斷出材料或結構內部活動缺陷的位置、狀態變化程度和發展趨勢。若將背景噪聲識別和輔助信息（例如載荷、位移、溫度和應變等）的綜合分析考慮在內。
????? 3 應用聲發射探測金屬點蝕過程的理論研究進展早在20 世紀80 年代就有不少學者研究過腐蝕過程的聲發射現象, 并試圖利用AE技術來監測腐蝕過程。當時研究較多的是應力腐蝕開裂過程中的聲發射。由于一般采用窄帶AE傳感器接收信號,并使用參數分析方法，人們很難將接收到的AE信號與產生AE的源機制相聯系。因此,有關這方面的研究一直進展不大。20 世紀90 年代后,隨著全數字聲發射儀器和寬帶AE傳感器的出現,加上模態聲發射理論的建立,人們在研究源機制方面取得不小進展, 這也為研究金屬點蝕過程產生AE的源機制奠定了基礎。文獻對金屬點蝕的AE源機制作了深入的理論研究,指出點蝕是由于(鈍化)膜破裂引起的,而伴隨膜破裂過程會向物體施加一作用力,從而產生應力波即聲發射。另外,在腐蝕發生時,微小氫氣泡的破裂也會產生AE信號,其原理與膜破裂相同。文獻認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。其板結構坐標示意圖見圖2。通過計算,金屬點蝕AE信號有典型的擴展波和彎曲波特性。根據聲波到達兩傳感器的時差可以估算出其傳播速度,從而與噪聲信號相區別。為了證明聲發射確實可以檢測到金屬腐蝕信號,
????? 計算出板厚為2mm的合金鋁在其膜破裂過程中產生的F力（僅先考慮縱波的貢獻）在垂直方向的質點位移為9×10.15相應于該位移所產生的電壓值為17uV，由于該電壓遠大于前置放大器的輸入噪聲水平（2.5uV有效值或7.5uV峰值),從而從理論上說明點蝕過程中的氣泡或膜破裂所產生的聲信號是可以被檢測到的。
????? 4 應用聲發射探測金屬點蝕過程的實驗研究進展
????? 國外的一些學者在應用聲發射技術對點蝕進行監測方面做了一系列的實驗研究。希望能將金屬腐蝕損傷與聲發射的某些參數建立起聯系。
????? Fregonese，Idrissi，Mazille，Renaud和Cetre對奧氏體不銹鋼的點蝕過程進行了監測。將奧氏體不銹鋼316L放入pH=2的3%NaCl溶液中，測量系統是一個三電極系統，同時聲學信號是在陽極極化和循環極化的情況下被記錄的，測量的目標是腐蝕的起點。實驗采用MISTRAS軟件，前置放大器和R15壓電傳感器（帶寬為100Hz～500kHz)。研究證實在記錄每個有效聲學信號之前都要產生一個時間延遲，該時間延遲對應于聲發射信號中的延遲。同時，在循環極化和恒電位實驗中觀察到一個電流密度閾值，這個閾值依賴于正在擴展的坑蝕數，而對于易發生點蝕的試件來說該閾值是很低的。
????? 研究表明，記錄的聲學信號與坑蝕周圍氫的發展有關。其中，Magaino觀察到在陽極極化鋁（放置在含有20mg/1 Cu離子的0.05MNaC1溶液中）蝕坑不斷增加的過程中有氫產生。而Rettting和Felsena于1976年發表文章證實浸在鹽水中的鋁絲在腐蝕過程中產生的聲信號計數率與氫產生率之間存在線性關系。
????? Jones和Friesel研究了304系列不銹鋼的點蝕所持觀點與上述不同。雖然文中聲稱在點蝕過程中有明顯的聲學活動,但是認為這與氣泡無任何關系。盡管他們還不是很清楚金屬腐蝕產生聲發射信號的過程,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程中氯化物的覆蓋鹽層產生的。如果該過程成立, 那么只有大約3%的點蝕會產生聲學活動。
????? Mazille, Rothea 和Tronel 也開展了有關奧氏體不銹鋼的研究。他們應用聲發射連續監測了本地水溶液引起的腐蝕破壞及其發展過程。將316L 奧氏體不銹鋼放置在3%NaCl 溶液中(pH=2)。在不銹鋼陽極極化前研究人員記錄到了一些低幅度的信號。他們發現在陽極極化過程中電流密度較高,并在有效聲信號出現之前存在一個較短的蝕坑開始時間。當點蝕發展到一定程度,即腐蝕尺寸和數量都很穩定并且非常高時,這時產生的聲發射事件是十分有用的。他們注意到發射出的聲信號是由腐蝕過程中產生的氫氣所致。根據聲發射事件與點蝕之間的依附曲線圖,Mazille, Rothea 和Tronel 推斷出,AE技術通過相對準確的點蝕速率和高的聲發射活動之間的關系來監測點蝕的發展,是一種很有效的方法。
????? Cakir,Tuncell 和Aydin 從聲學上研究了在Hank's溶液(pH=4)中伸展很慢的316L 不銹鋼,并在點蝕電壓(+110mV / SCE)的陽極方向上使其極化。研究者注意到, 在陽極極化過程中很小的聲發射活動產生很低的電流密度(i = 5μA/cm2),而在+110mV(SCE)以上的電壓作用下,陽極電流密度隨著聲發射信號的增加而增加。這正說明了聲發射信號的電化學性質。在Hank's 溶液中進行拉伸試驗的試件,80%都記錄有AE信號。研究表明,不銹鋼至少在某一處發生了膜破裂(即使非常小),才會產生聲發射信號,而在鋼的變形過程中聲發射活動性不斷增加。他們認為AE信號源與材料點蝕的發生有關, 更準確地說與保護層的破壞、氫氣泡的產生和金屬陽極分解有關。
????? 耿榮生采用從飛機機翼上取下的、置于特殊溶液中的LY12 鋁合金試件進行聲學測, 用Mistras-2001 型聲發射系統記錄聲發射信號。實驗結果表明,聲發射能對腐蝕發生的初期,即腐蝕萌生加以預報,而且十分靈敏。在點蝕過程中,真正由腐蝕產生的信號與噪聲信號有明顯區別，即腐蝕產生以彎曲波為主的聲發射信號，且有較寬的頻率分布范圍，而噪聲信號延續時間短、頻率范圍窄、幅度集中在40dB以下，這使得識別腐蝕AE與噪聲信號的工作極大地得到了簡化。
????? 5 評述
????? 眾多學者應用聲發射技術研究金屬腐蝕,目前已經取得了一些階段性的成果:(1)從理論上證明點蝕過程中產生的聲信號是可以被檢測到的;
????? (2)認為點蝕過程中的聲源是由保護層的破壞、氫氣泡的發展變化、金屬陽極的分解而產生的;(3)獲得了聲發射事件總數與探測到的點蝕坑之間的良好數學關系,為AE技術提供了有關奧氏體不銹鋼點蝕過程中動特性的信息而在研究過程中對材料并沒有破壞作用。
????? 綜上所述，AE技術在控測金屬點蝕方面確是一種有效的方法，但是應用AE探測鋼點蝕的方法還不成熟，應在AE信號與腐蝕損傷的建模、波的傳播等基礎理論領域繼續開展研究工作，推進聲發射技術在工程上的進一步應用。