應(yīng)用聲發(fā)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(tài)。文章介紹了目前應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對金屬點蝕進行評價的方法,認為應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)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(guān)于聲發(fā)射信號源的產(chǎn)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(guān)性。結(jié)果證明聲發(fā)射技術(shù)的特殊性質(zhì)正適合于對結(jié)構(gòu)材料的監(jiān)測。
????? 關(guān)鍵詞: 聲發(fā)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(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蝕的方法,如循環(huán)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(yīng)用于工程實踐。聲發(fā)射(AE)技術(shù)具有對研究的材料無損害的優(yōu)點,因此是實驗室和現(xiàn)場研究點蝕的有效方法。
????? 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，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:當材料中有聲發(fā)射現(xiàn)象究工作。發(fā)生時由聲源發(fā)射出的每一個聲信號都包含了材料內(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)射檢測技術(shù)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(fā)射源特征參數(shù)（能量、計數(shù)、事件、延遲、上升時間等）的分析和研究，推斷出材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部活動缺陷的位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)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(yīng)變等）的綜合分析考慮在內(nèi)。
????? 3 應(yīng)用聲發(fā)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(fā)射現(xiàn)象, 并試圖利用AE技術(shù)來監(jiān)測腐蝕過程。當時研究較多的是應(yīng)力腐蝕開裂過程中的聲發(fā)射。由于一般采用窄帶AE傳感器接收信號,并使用參數(shù)分析方法，人們很難將接收到的AE信號與產(chǎn)生AE的源機制相聯(lián)系。因此,有關(guān)這方面的研究一直進展不大。20 世紀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(chǎn)生AE的源機制奠定了基礎(chǔ)。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(chǎn)生應(yīng)力波即聲發(fā)射。另外,在腐蝕發(fā)生時,微小氫氣泡的破裂也會產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jù)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(qū)別。為了證明聲發(fā)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(chǎn)生的F力（僅先考慮縱波的貢獻）在垂直方向的質(zhì)點位移為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(chǎn)生的聲信號是可以被檢測到的。
????? 4 應(yīng)用聲發(fā)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(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對點蝕進行監(jiān)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(fā)射的某些參數(shù)建立起聯(lián)系。
????? Fregonese，Idrissi，Mazille，Renaud和Cetre對奧氏體不銹鋼的點蝕過程進行了監(jiān)測。將奧氏體不銹鋼316L放入pH=2的3%NaCl溶液中，測量系統(tǒng)是一個三電極系統(tǒng)，同時聲學信號是在陽極極化和循環(huán)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(chǎn)生一個時間延遲，該時間延遲對應(yīng)于聲發(fā)射信號中的延遲。同時，在循環(huán)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(shù)，而對于易發(fā)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(fā)展有關(guān)。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(chǎn)生。而Rettting和Felsena于1976年發(fā)表文章證實浸在鹽水中的鋁絲在腐蝕過程中產(chǎn)生的聲信號計數(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(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(chǎn)生的。如果該過程成立, 那么只有大約3%的點蝕會產(chǎn)生聲學活動。
????? Mazille, Rothea 和Tronel 也開展了有關(guān)奧氏體不銹鋼的研究。他們應(yīng)用聲發(fā)射連續(xù)監(jiān)測了本地水溶液引起的腐蝕破壞及其發(fā)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(fā)現(xiàn)在陽極極化過程中電流密度較高,并在有效聲信號出現(xiàn)之前存在一個較短的蝕坑開始時間。當點蝕發(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,這時產(chǎn)生的聲發(fā)射事件是十分有用的。他們注意到發(fā)射出的聲信號是由腐蝕過程中產(chǎn)生的氫氣所致。根據(jù)聲發(fā)射事件與點蝕之間的依附曲線圖,Mazille, Rothea 和Tronel 推斷出,AE技術(shù)通過相對準確的點蝕速率和高的聲發(fā)射活動之間的關(guān)系來監(jiān)測點蝕的發(fā)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(fā)射活動產(chǎn)生很低的電流密度(i = 5μA/cm2),而在+110mV(SCE)以上的電壓作用下,陽極電流密度隨著聲發(fā)射信號的增加而增加。這正說明了聲發(fā)射信號的電化學性質(zhì)。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(fā)生了膜破裂(即使非常小),才會產(chǎn)生聲發(fā)射信號,而在鋼的變形過程中聲發(fā)射活動性不斷增加。他們認為AE信號源與材料點蝕的發(fā)生有關(guān), 更準確地說與保護層的破壞、氫氣泡的產(chǎn)生和金屬陽極分解有關(guān)。
????? 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(fā)射系統(tǒng)記錄聲發(fā)射信號。實驗結(jié)果表明,聲發(fā)射能對腐蝕發(fā)生的初期,即腐蝕萌生加以預(yù)報,而且十分靈敏。在點蝕過程中,真正由腐蝕產(chǎn)生的信號與噪聲信號有明顯區(qū)別，即腐蝕產(chǎn)生以彎曲波為主的聲發(fā)射信號，且有較寬的頻率分布范圍，而噪聲信號延續(xù)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(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)從理論上證明點蝕過程中產(chǎn)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(fā)展變化、金屬陽極的分解而產(chǎn)生的;(3)獲得了聲發(fā)射事件總數(shù)與探測到的點蝕坑之間的良好數(shù)學關(guān)系,為AE技術(shù)提供了有關(guān)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(shù)在控測金屬點蝕方面確是一種有效的方法，但是應(yīng)用AE探測鋼點蝕的方法還不成熟，應(yīng)在AE信號與腐蝕損傷的建模、波的傳播等基礎(chǔ)理論領(lǐng)域繼續(xù)開展研究工作，推進聲發(fā)射技術(shù)在工程上的進一步應(yīng)用。