基于ACFM检测技术的表面裂纹特征评价方法研究

基于ACFM检测技术的表面裂纹特征评价方法研究

刘志刚

中石化胜利海上石油工程技术检验有限公司，山东 东营 257000

摘要：基于ACFM检测技术的表面裂纹特征的研究，可以为平台钢结构提供准确可靠的安全信息和故障诊断依据；对提高我国工业生产水平具有十分重大的意义。它不仅能够满足国民经济各部门对各种钢结构部件进行早期诊断的要求，而且还能有效避免由于设备故障造成的巨大经济损失和人员伤亡，有利于改善劳动条件，减少事故发生次数，降低劳动强度，有利于保护工人健康。因此具有广泛的应用价值，同时也将极大地推动机械制造业在新材料、新工艺及高新技术等方面的发展与进步。

关键词：ACFM检测技术；表面裂纹；特征评价

引言：ACFM检测技术的表面裂纹特征评价研究，属于超声检测技术中的一项新技术，已逐渐被人们所认识。它通过测量工件或零件内部不同深度处超声波传播速度的变化来确定内部是否存在裂纹，进而判断出工件的质量优劣。这种技术已经成功应用于多种工业检测过程之中，并且取得了良好效果，广泛应用于各个领域。作为一种新型的缺陷检测方法，正受到越来越多的重视，但目前国内外尚未见相关文献报道。目的在于为该技术的实际工程应用提供理论依据，并指导现场生产作业，从而达到提高产品合格率的目的。

一、ACFM检测理论基础

（一）ACFM检测技术

ACFM检测技术是基于断裂力学和有限元分析等基本原理而发展起来的一种新的无损检测技术，其基本思想是将材料内部的微观组织结构与其宏观力学性能联系起来进行研究，利用各种物理或化学参数如应变能密度、应力强度因子等，在外加载荷作用下所表现出的裂纹扩展情况及断裂特性；并采用扫描电子显微镜、光学显微镜、能谱仪等分析仪器来获取试件表面、亚表层及近表面区域的微观组织图像与元素组成状态。再结合相应的数学统计方法得到表征材料性能的定量指标，然后用计算机模拟预测试验结果[1]。该技术是研究金属材料宏观力学性能的重要手段之一，同时通过对试样断口形貌观察和电子显微分析获得材料中各成分含量分布及其变化规律，缺陷大小等相关数据，进而根据这些信息来判断材料是否存在微/细观损伤以及发生了何种变化。

（二）ACFM检测系统的相关概念

ACFM检测系统具有很高的可靠性和实用性，它利用CCD摄像机实时拍摄被检物体表面图像并进行图像处理后显示在显示屏上，从而实现对待测对象内部组织结构的精确探测；采用数字图像处理技术能有效地降低人为主观因素对测试结果造成的影响；测量精度较高等特点。该方法可直接观察被测目标体内部结构细节，不需要特殊设备。此外还能够通过改变探头尺寸或形状来调节分辨率以及灵敏度，以适应不同材料、不同缺陷类型的要求[2]。目前已广泛应用于金、铜、铝、铁、钨、钼、铌等有色金属及其合金的研究中，其中尤以铝合金最为典型，与传统的超声成像相比，ACFM具有非接触、高精度等优点。因此其应用范围非常广，是一种极具发展潜力的无损检测新手段。具有广阔的发展前景，可以广泛用于各种金属及非金属矿物，特别适用于非金属矿产资源的无损检测。

二、表面裂纹特征评价模型

（一）表面裂纹特征评价模型的建立

表面裂纹特征评价模型可分为3个部分：1.表面质量评价参数选取根据不同材料的特点和要求进行了相应的分类；并给出各参数的具体含义。同时提出了基于模糊数学理论的评定参数，通过实例分析证明该数学模型能满足实际工程需要；2.缺陷识别，即从大量数据出发，利用专家知识或经验，采用一定的数学工具对被测对象的物理信息、几何形状等进行量化处理，然后用最小二乘支持向量的分类器进行模式识别。在此过程中引入遗传算法，使其更适合于解决小样本问题，提高算法效率；从而达到区分被测对象是否存在表面裂纹的目的，介绍了常用识别方法。3.损伤程度评估即先建立一个数学模型，再根据该模型来计算出某一时刻下试件内部某个位置上出现裂纹时所需的临界载荷值和对应的最大应力强度因子值，最后通过有限元仿真软件分析得出相应的结论。

（二）表面裂纹与裂纹关系

表面裂纹与裂纹关系为：在同一方向上裂纹越长，其尖端就越容易产生疲劳裂纹；反之，裂纹越深，其尖端也会变得越来越难萌生疲劳裂纹，所以在研究中应该考虑到这种现象。基于断裂韧性理论对混凝土结构进行剩余寿命预测，利用断裂韧性原理，结合混凝土构件破坏过程以及混凝土构件失效机理，推导得到了适用于工程实际的剩余使用寿命计算方法。其中包括：线性回归法、二次多项式回归方程法，这两种方法都比较有效。但是二次多项式回归法所需要的数据较少，且计算简单[3]。结果表明：在相同条件下，表面裂纹比内部裂纹更容易产生，更易受外界环境影响。而对于不同类型的表面裂纹，由于受到各方面因素影响，它们之间并不完全是线性关系，而是具有一定的非线性关系。当被测物体发生表面裂纹后，材料的力学性质将发生变化，因此可以用断裂韧性作为表征材料断裂性能的参数，即裂纹长度越大，则断裂韧性越低。

三、表面裂纹的评价

（一）表面裂纹概述

裂纹对微缺陷探测和识别表面裂纹能够通过多种途径来实现，其中包括超声波探伤法、光学显微镜观察法以及扫描电镜观察法等。其中，超声方法因其操作简单、经济方便、检测精度高等特点得到了广泛的应用[4]。另外，随着计算机技术的发展，各种新型的无损检测方法也不断地被提出和建立起来。例如：表面波技术、电子散斑干涉测量等。它们可以对被测材料内部的微小结构进行非接触实时监测；利用弹性波在不同介质界面上传播时能量分布不均匀这一特性来判断被测物体是否产生损伤或破坏等等。这些方法各有特色，但这些手段都存在着一些不足。表面波无损检测法，声波透射法及声发射法等，激光扫描法在表面裂纹研究中。

（二）裂纹对表面裂纹的影响

对于复合材料构件而言，裂纹会导致其疲劳寿命降低，严重时会造成灾难性事故，所以如何避免和减少由裂纹引起的缺陷显得尤为重要。首先，材料内部的应力状态决定了裂纹能否萌生并扩展，从而使结构失效；其次，材料内部的变形能是裂纹形成以及发展所需的条件之一，而变形能又取决于裂纹尖端处产生应变场的能力[5]。此外，在外加载荷作用下，裂纹还会向周围介质传播能量，进而改变局部应力场，最终促使裂纹进一步扩展直至破坏。可见裂纹对材料力学性能有重要影响，由于裂纹本身具有一定程度的各向异性，因此它与其他因素如几何尺寸等有着很大关系。ACFM检测技术在表面裂纹损伤表征上有明显优势，可实现快速无损、非接触测量及全场监测，是一种较好的材料缺陷和疲劳寿命评估手段之一，可以有效地预测构件剩余寿命。

结束语：

ACFM检测技术的表面裂纹损伤诊断主要采用两种方式，即基于压电陶瓷片阵列传感器的时域分析技术和频域分析方法。前者由于具有良好的线性度等优点而被广泛应用；后者则需要大量人工参与才能完成，且只能应用于小尺寸试件，通过对比发现,ACFM检测技术更适合于对复杂曲面试件表面裂纹进行探测。

参考文献：

[1]陈晨,孙宏达,文青山,等.基于ACFM法的蒸压釜釜齿裂纹检测及优化研究[J].热加工工艺,2021.

[2]郑玲慧,任尚坤,王景林.ACFM技术的表面裂纹识别和尺寸反演算法研究[J].测控技术，2020,39(5):7.

[3]陈晨,孙宏达,文青山,等.蒸压釜釜齿裂纹的ACFM检测系统设计与试验研究[J].压力容器,2020(010):037.

[4]冯蒙丽,蔡玉平,宋春荣,等.交流磁场检测中激发频率与提离的影响分析[J].中国测试.2012,(1).

[5]杨理践,曹鸿威,高松巍.基于交变电磁场的钢板表面裂纹检测方法[J].仪表技术与传感器.2015,(10).