题目：承压设备常用金属材料形变与断裂的声发射表征与识别

承压设备是航空航天、石油化工、造纸制药等行业必需的工业过程装置，为确保生产安全，对设备服役状态进行及时有效地检测和安全评估十分重要。声发射是一种检测灵敏度高、可整体实时监测的无损检测技术，已成功应用于钢铁材料承压设备的安全健康监测，但是其它金属材料承压设备声发射检测的相关方法和应用尚未成熟，对材料损伤的声发射源机制、识别及评估的理论和方法还缺少相关研究。因此，本文以承压设备常用有色金属材料和铸铁材料为研究对象，基于材料形变和断裂物理源机制的声发射特性表征，开展了晶粒尺寸、马氏体组织、第二相等材料显微结构变化对金属形变和断裂及其声发射特性影响的理论分析和试验研究，为声发射技术应用于相关材料承压设备的检验提供了理论依据、分析方法以及丰富的数据积累，为工程实践奠定了基础。

本文首先从理论上系统分析了晶体材料的晶粒尺寸、孪晶、第二相等材料内部因素和外部应变加载对材料塑性形变声发射的影响，讨论了材料显微结构改变和应变变化对声发射信号强度和频率的作用，总结了材料断裂时裂纹扩展长度与声发射计数之间的关系，并介绍了声发射信号表征与分析的方法。

研究了晶粒尺寸对有色金属拉伸形变声发射源机制和声发射活动的影响。通过热处理方法改变了工业纯钛TA2板材和工业纯锆R702板材的晶粒尺寸。在室温拉伸条件下，结合微观观察、声发射参数历程变化和频率统计分析，确定了材料的塑性变形方式和声发射源机制。材料的塑性应变由位错滑移和形变孪晶共同完成，孪晶的活跃程度与晶粒尺寸密切相关，晶粒增大，孪晶增多，声发射强度和活性增强。根据孪晶产生的声发射信号强度大、频率高的特点，将小波能谱系数作为模式识别方法的输入特征参量，对波形信号进行分类，定性地确定了滑移和孪晶在两种材料拉伸形变不同阶段的活动情况。

研究了马氏体组织对有色金属拉伸形变声发射源机制和声发射活动的影响。采用热处理方法和焊接手段获得了淬火马氏体和焊缝马氏体的TA2和R702。通过透射电镜观察，确定了α’相板条状马氏体为密排六方晶格结构的位错型马氏体。结合声发射信号计数率分析和微观观察，确定了含马氏体组织TA2的拉伸塑性形变主要由基体位错滑移和马氏体内的位错滑移完成，含马氏体组织R702的拉伸塑性形变主要由基体位错滑移、马氏体内的位错滑移和基体及马氏体内的孪生共同完成。马氏体形变对应的声发射信号强度大，频率高，但在材料形变过程中其与孪晶的声发射信号频率特征相似，因而仅借助声发射技术难以将二者区分开来。但与母材相比，马氏体组织会导致声发射信号在材料宏观屈服之后出现二次增长过程，这主要是由于马氏体板条的形变是在马氏体团簇形变之后进行而导致的。

研究了石墨第二相对铸铁材料拉伸形变声发射源机制和声发射活动的影响。以不同强度的片状石墨铸铁和不同金属基体组织的球状石墨铸铁为研究对象，结合声发射信号与应变和显微结构的变化关系，确定了片状石墨铸铁在声发射不同活动阶段的微观物理源及其声发射信号频率特性，比较了不同金属基体组织球状石墨铸铁随拉伸应变的声发射信号强度和频率的变化，结果显示石墨与基体脱开的声发射信号频谱峰值在150 kHz附近，基体组织塑性形变使声发射信号在100-150 kHz频段内的功率有所增加，声发射信号的这些频率特征与石墨形貌和金属基体组织的组成无关。金属基体含有层片状珠光体时，会导致声发射计数率的二次增长。

研究了晶粒尺寸和马氏体对有色金属疲劳裂纹扩展及其声发射源机制和声发射活动的影响。采用幅度滤波、能量滤波、平均频率滤波和声发射定位等噪声滤除方法后，获取了材料疲劳裂纹稳定扩展的声发射信号，证实了声发射技术对裂纹生长历经萌生、稳定扩展、快速生长三个阶段的敏感性。通过光学金相(OM)、断口扫描(SEM)、透射观察(TEM)和电子背向散射衍射(EBSD)等微观检测方法，分析了不同晶粒大小的TA2和R702在裂纹稳定扩展阶段声发射信号阶段性振荡的原因，确定了孪晶在疲劳裂纹扩展中的阶段性贡献及其对疲劳裂纹扩展的促进作用。分析了马氏体对疲劳裂纹扩展速率的影响，揭示了疲劳过程的声发射源不仅来自位错运动还来自于孪生和马氏体的形变断裂，马氏体的存在将显著提高声发射信号幅度，并使信号的频率向高频方向移动。