Q345R鋼拉伸損傷過程聲發(fā)射特征參數(shù)表征及定量評價(jià)

，， ，

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510100;2.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

Q345R鋼是一種專業(yè)用鋼，具有耐腐蝕性好、強(qiáng)度高、低溫性能好等特點(diǎn)，且更加適應(yīng)焊接性能的要求，因此在壓力容器、壓力管道等特種設(shè)備制造中應(yīng)用廣泛[1-2]。目前，對于該材料的無損檢測主要根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、可達(dá)性和檢測要求等因素，采用超聲、射線、渦流、磁粉和滲透等常規(guī)檢測方法，但是這些方法都是靜態(tài)的主動檢測方法，一般需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)件的固定部位進(jìn)行定期檢測，而無法實(shí)現(xiàn)在役使用過程中全范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測[3-4]。

聲發(fā)射檢測(AE)技術(shù)是一種動態(tài)的、被動的檢測技術(shù)，可通過分布在檢測對象上的傳感器，在使用過程中實(shí)時(shí)接收由損傷處產(chǎn)生的彈性波信號，從而實(shí)現(xiàn)對損傷聲源的定位和分析，進(jìn)而判斷材料或結(jié)構(gòu)整體的損傷程度，達(dá)到在結(jié)構(gòu)件的在役使用過程中，實(shí)現(xiàn)全范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的[5-6]。耿榮生等[7]對兩類三代機(jī)的全尺寸疲勞試驗(yàn)實(shí)施了全程聲發(fā)射監(jiān)測，對一些關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞裂紋實(shí)施了早期預(yù)報(bào)，為確定和延長飛機(jī)的機(jī)群壽命發(fā)揮了重要作用；沈功田[8]對金屬壓力容器和常壓金屬儲罐的聲發(fā)射監(jiān)測及安全評價(jià)方法進(jìn)行了深入探索，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益；何存富等[9]通過對聲發(fā)射信號處理方法的研究，獲取了大型觀覽車低速滾動軸承的聲發(fā)射特性，證明了利用聲發(fā)射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對該滾動軸承的健康監(jiān)測。而在鋼材的聲發(fā)射檢測和特性分析上也有一些研究工作，但是主要都集中在損傷聲源定位、時(shí)域特征參數(shù)及頻譜分析上[10-14]，而在損傷過程中各個(gè)損傷階段的聲發(fā)射信號特征參數(shù)表征和定量研究上還沒有過多探討。

筆者主要通過拉伸力學(xué)試驗(yàn)，監(jiān)測Q345R鋼從裂紋萌生到斷裂的整個(gè)過程，研究材料在各個(gè)力學(xué)階段的聲發(fā)射信號特征參數(shù)與載荷歷程間的內(nèi)在聯(lián)系，再通過聲發(fā)射信號特征參數(shù)表征材料的損傷程度，實(shí)現(xiàn)對材料損傷的定量評價(jià)。

1 聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射實(shí)際上是材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射檢測是根據(jù)材料本身缺陷釋放的彈性聲波信號來進(jìn)行定位和定性檢測的。聲發(fā)射檢測原理示意如圖1所示，從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號，這些電信號被放大、處理和記錄，再根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析與推斷，以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制[15-18]。

圖1 聲發(fā)射檢測原理示意

聲發(fā)射源信號可以基本分為突發(fā)型信號和連續(xù)型信號，突發(fā)型信號的波形圖和單個(gè)脈沖的波形圖相似；連續(xù)型聲發(fā)射信號是由許多密集的突發(fā)型信號構(gòu)成的，由于單個(gè)信號間的間隔時(shí)間太短而無法分辨。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。由于聲發(fā)射信號具有瞬態(tài)和多態(tài)的特點(diǎn)，且容易受到外界噪聲的干擾，因此在工程實(shí)踐中，通常將接收到的聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)、幅值、能量等特征參數(shù)形式，然后再通過對特征參數(shù)的處理分析聲發(fā)射信號的特征[19-20]。采用特征參數(shù)分析法，依據(jù)特征參數(shù)的歷程分析，應(yīng)用特征參數(shù)累積量的歸一化曲線進(jìn)行Q345R鋼拉伸損傷過程的監(jiān)測和定量評價(jià)研究。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括材料力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)以及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)兩部分。材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)是由美國生產(chǎn)的INSTRON8801型液壓伺服多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其載荷容量高達(dá)100 kN，可以滿足試驗(yàn)要求。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)為美國PAC公司生產(chǎn)的PCI-2型8通道測試系統(tǒng)。試驗(yàn)采用的聲發(fā)射傳感器(也稱為探頭)型號為R15α，其中心頻率為150 kHz，頻帶寬度為100 kHz～400 kHz，各類金屬材料損傷發(fā)出的聲發(fā)射信號都在該頻帶范圍內(nèi)。試驗(yàn)中的前置放大器的增益可選擇20，40，60 dB，這些均能夠滿足試驗(yàn)需要。

2.2 檢測試塊及傳感器布置

檢測試塊是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》加工成的，標(biāo)準(zhǔn)拉伸試塊尺寸如圖2所示，試塊材料為Q345R鋼，共加工了4塊，試塊編號依次為LS1，LS2，LS3和LS4。為了減少夾具與試塊間的摩擦，在試塊兩端先用塑料薄膜緊貼包裹好，然后再用夾具固定。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試塊尺寸示意

根據(jù)試塊尺寸，只需布置兩個(gè)傳感器，采用線性定位方法即可，所以將探頭對稱性地放置在長度方向的中心線上，使兩探頭的間距為110 mm，并且各自離加載端端點(diǎn)分別為40 mm，實(shí)現(xiàn)對稱定位，具體布置方式如圖3所示。安裝傳感器時(shí)需要用耦合劑填充傳感器和試塊接觸面，并使用磁夾具固定。

圖3 聲發(fā)射傳感器布置示意

2.3 拉伸試驗(yàn)過程

拉伸測試前先按照聲發(fā)射檢測程序進(jìn)行軟件設(shè)置，然后分別進(jìn)行試塊材料衰減測量、傳感器靈敏度測量、背景噪聲測量等。根據(jù)背景噪聲大小，設(shè)置門檻幅值為65 dB，采用線性時(shí)差法測定聲速為4 700 m·s-1。

以上準(zhǔn)備工作全部完成后，開始進(jìn)行拉伸損傷聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)要求材料試驗(yàn)機(jī)加載工作和聲發(fā)射采集工作同步開始，從而保證后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效分析。試驗(yàn)拉伸速度保持勻速1 mm·min-1，聲發(fā)射檢測儀采集材料損傷萌生、擴(kuò)展、斷裂整個(gè)過程所發(fā)出的全部聲發(fā)射信號，拉伸試驗(yàn)機(jī)可自動記錄在均勻拉伸速率下拉伸損傷過程的載荷、位移以及時(shí)間3個(gè)力學(xué)參數(shù)，并可繪出材料所對應(yīng)的拉伸載荷與應(yīng)變位移的拉伸曲線變化(見圖4)。

圖4 試塊拉伸載荷與位移曲線

由圖4可明顯發(fā)現(xiàn)，Q345R鋼具有典型的塑性材料特征，明顯存在塑性材料拉伸損傷過程的各個(gè)力學(xué)行為階段。利用拉伸位移量可以區(qū)分出彈性階段(0～0.689 mm)、屈服階段(0.689～4.324 mm)、強(qiáng)化階段(4.324～32.400 mm)、頸縮階段(32.400～40.580 mm)以及斷裂階段。根據(jù)各個(gè)力學(xué)階段采集的聲發(fā)射信號，并將這些聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換成特征參數(shù)，對比各個(gè)階段的變化情況，就可找出特征參數(shù)與各個(gè)力學(xué)階段的內(nèi)在聯(lián)系。

3 特征參數(shù)歷程圖分析

聲發(fā)射信號特征參數(shù)歷程圖分析法是一種分析聲發(fā)射監(jiān)測過程采集到的聲發(fā)射信號特征參數(shù)隨時(shí)間變化過程的方法，該分析方法可有效評價(jià)拉伸損傷全過程以及各個(gè)力學(xué)階段的聲發(fā)射源的活動情況。因?yàn)樽矒粲?jì)數(shù)可以反映聲源產(chǎn)生信號的活動性，幅度和能量可以反映聲源信號的強(qiáng)度，所以主要提取了Q345R鋼在整個(gè)拉伸損傷全過程產(chǎn)生的撞擊計(jì)數(shù)、能量和幅值3個(gè)聲發(fā)射特征參數(shù)的歷程圖進(jìn)行對比分析。此外，為了便于結(jié)合力學(xué)規(guī)律的分析，將拉伸載荷隨時(shí)間變化的歷程圖放在一起進(jìn)行對比分析，Q345R鋼的AE特征參數(shù)歷程圖和載荷歷程圖的對比如圖5所示。

圖5 Q345R鋼的AE特征參數(shù)歷程圖和載荷歷程圖

由圖5可知，在拉伸過程中，Q345R鋼在彈性階段幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射信號，只監(jiān)測到少量幾個(gè)低能量、低幅值的聲發(fā)射信號；屈服階段為整個(gè)拉伸損傷過程中主要產(chǎn)生聲發(fā)射信號的階段，且在屈服階段的開始端和結(jié)束端還將會有大量較高能量、高幅值(高達(dá)98 dB)的聲發(fā)射信號產(chǎn)生，并在整個(gè)過程中特別突出；在強(qiáng)化階段存在低能量(主要分布在200 μV·ms以下)、低幅值(主要在65～80 dB)的信號，且信號的數(shù)量在慢慢地減少為0；在頸縮階段聲發(fā)射特征參數(shù)基本都為0，即在該階段不產(chǎn)生聲發(fā)射信號；在斷裂階段有少量高能量(為整個(gè)過程最高能量處)、高幅值(高達(dá)98 dB)的聲發(fā)射信號產(chǎn)生。通過上述分析，說明聲發(fā)射信號特征參數(shù)在一定程度上可以表征出材料拉伸損傷過程的各個(gè)力學(xué)階段及其特征。通過對拉伸試驗(yàn)監(jiān)測出的聲發(fā)射信號的各個(gè)參數(shù)在損傷過程累積量隨時(shí)間變化的分析，有利于定量地評價(jià)被監(jiān)測試件在拉伸損傷過程中，其各個(gè)力學(xué)行為階段的內(nèi)部損傷量在整體過程中的占有量，同時(shí)又可以反映出其變化過程中各種規(guī)律性的信息。

4 特征參數(shù)累積量的定量評價(jià)

選取上升時(shí)間、計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間以及幅值這5個(gè)主要特征參數(shù)的累積量隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析。通過拉伸損傷監(jiān)測試驗(yàn)對聲發(fā)射信號特征參數(shù)的采集和提取，對各個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行累積計(jì)算處理后，得到結(jié)果如圖6所示。

圖6 載荷歷程圖與5個(gè)特征參數(shù)累積量隨時(shí)間的變化過程曲線

因?yàn)槊恳粋€(gè)聲發(fā)射特征參數(shù)的定義和量綱是不一樣的，所以聲發(fā)射信號的各種特征參數(shù)的累積量變化表征過程之間也存在一定的差異。這里主要研究的是各個(gè)特征參數(shù)在拉伸損傷過程中的變化過程，為了更好地用一個(gè)圖形綜合對比分析各個(gè)特征參數(shù)以及加載載荷隨時(shí)間的變化過程，再次對各個(gè)特征參數(shù)累積量曲線進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理，這樣可以有效地對比各個(gè)聲發(fā)射特征參數(shù)累積量變化規(guī)律之間的異同，并且可以明顯地分析出各個(gè)特征參數(shù)變化過程的占有量，使其實(shí)現(xiàn)量化對比分析。

此次使用的歸一化方法主要是考慮各特征參數(shù)中的每個(gè)時(shí)刻采集累積量相對總量的大小，所以采用式(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化。

(1)

式中：X,P分別為歸一化前后的特征參數(shù)累積量的數(shù)據(jù)；Xmax、Xmin為 AE特征參數(shù)累積量X的最大和最小值。

該歸一化處理方法不會改變每個(gè)累積分量對累積總量的比例，既不會改變每一個(gè)特征參數(shù)累積曲線本身變化過程的規(guī)律，又可通過每個(gè)特征參數(shù)的增量比例反映該階段信號成分量的特征，所以歸一化后更有利于用每個(gè)特征參數(shù)定量分析各個(gè)力學(xué)行為階段的聲發(fā)射情況。在Q345R鋼拉伸損傷過程中，聲發(fā)射監(jiān)測信號的各特征參數(shù)累積量隨時(shí)間變化曲線歸一化處理后的結(jié)果如圖7所示。

圖7 載荷歷程圖與5個(gè)特征參數(shù)累積量歸一化曲線

由圖7可得，Q345R鋼在彈性階段的聲發(fā)射特征參數(shù)累積量變化不大，在該階段幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。從屈服階段初始端開始，各聲發(fā)射特征參數(shù)累積量幾乎呈線性增加趨勢，并持續(xù)到屈服階段的結(jié)束端，聲發(fā)射信號約占所有接收到的聲發(fā)射信號總量的70%，這是由于存在的塑性變形產(chǎn)生了大量的可動位錯(cuò)，產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號。與此同時(shí)，在屈服階段的結(jié)束端點(diǎn)處出現(xiàn)了一條垂直時(shí)間軸的直線，表明在該處各參數(shù)有大量累積量的產(chǎn)生，僅在該處產(chǎn)生的增量高達(dá)20 %左右，且該點(diǎn)有效成為屈服階段進(jìn)入強(qiáng)化階段的分界點(diǎn)，該點(diǎn)和拉伸力學(xué)曲線分界點(diǎn)基本重合。

在強(qiáng)化階段過程中，聲發(fā)射信號特征參數(shù)的累積增量還在不斷增加，但是增加的速率逐漸減小，最后達(dá)到平行直線，即不再產(chǎn)生增量，該階段聲發(fā)射信號的占有量在20%左右。在該階段產(chǎn)生了完全的塑性變形，但晶粒的可動位錯(cuò)量越來越少，表面滑移線亦愈趨明顯，強(qiáng)化階段表征結(jié)束，各特征參數(shù)增量變?yōu)?時(shí)恰好又能表征進(jìn)入頸縮階段。在頸縮階段，各特征參數(shù)累積量曲線幾乎一直處于平行，增長幾乎為0，聲發(fā)射信號占有量幾乎為0，即在該階段基本不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。在斷裂階段，聲發(fā)射信號特征參數(shù)累積有突增現(xiàn)象，且能量參數(shù)在該階段的突增最明顯，能量在斷裂處的占有量高達(dá)20%以上，其他特征參數(shù)相對能量的變化較低，說明在斷裂階段產(chǎn)生的是高能量的聲發(fā)射信號。這是由于頸縮階段局部變形增加，頸縮區(qū)域內(nèi)的材料滑移將累積到很高程度，這時(shí)位錯(cuò)塞積及位錯(cuò)群密度都會增加，以至在斷裂階段出現(xiàn)聲發(fā)射信號的突增，且成為高能量信號。

總體看來，Q345R鋼聲發(fā)射信號源在屈服階段和強(qiáng)化階段所占整個(gè)拉伸時(shí)間的比例(除能量參數(shù)外)都高達(dá)90%以上，同時(shí)Q345R鋼的聲發(fā)射特征參數(shù)累積曲線還可以完整表征出該材料在拉伸損傷過程中的彈性、屈服、強(qiáng)化等各個(gè)力學(xué)行為階段，較特征參數(shù)的歷程圖能更準(zhǔn)確清晰地反映出各自變化特征和各個(gè)階段間的分界點(diǎn)，更好地評價(jià)出拉伸損傷的各個(gè)拉伸力學(xué)階段及其相應(yīng)變化特征。

5 結(jié)語

通過建立拉伸測試系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對Q345R鋼試塊進(jìn)行了拉伸損傷全過程的動態(tài)聲發(fā)射檢測研究。參照拉伸載荷圖反映出來的材料損傷的各個(gè)力學(xué)行為階段，采用聲發(fā)射特征參數(shù)歷程圖分析和累積量分析方法對損傷全過程進(jìn)行表征和定量評價(jià)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種特征參數(shù)分析方法都能對損傷過程的各個(gè)階段進(jìn)行表征，其中累積量分析方法能夠更準(zhǔn)確清晰地反映出各個(gè)階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且能對材料的定量評價(jià)研究提供更準(zhǔn)確的參考。

[1] 崔慶豐，惠虎，王昊旸，等. 國產(chǎn)壓力容器用鋼Q345R的低溫韌性研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，2016，38(6)：1198-1204.

[2] 趙蕾. Q345R壓力容器板性能分析與研究[J]. 物理測試，2012，30(1)：5-8.

[3] 彭國平，張?jiān)跂|，劉志浩，等. 鋼制構(gòu)件對接焊縫缺陷超聲相控陣三維重構(gòu)[J]. 無損檢測，2015，37(1)：86-89.

[4] 何才厚，吳瓊，李秋鋒，等. 起重機(jī)械聲發(fā)射動態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，29(3)：38-44.

[5] 龍小江，李秋鋒，何才厚，等. 起重機(jī)鋼梁疲勞特性聲發(fā)射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國測試，2015，41(9)：11-15.

[6] 李昕，康正亮，胥凱暉，等. GFRP不同損傷情況下聲發(fā)射檢測信號特征研究[J]. 南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，30(4)：75-81.

[7] 耿榮生，景鵬. 聲發(fā)射技術(shù)在全尺寸飛機(jī)疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用聲學(xué)，2013，32(4)：246-251.

[8] 沈功田. 金屬壓力容器和常壓儲罐聲發(fā)射檢測及安全評價(jià)技術(shù)與應(yīng)用[J]. 中國特種設(shè)備安全，2016，32(7)：1-5.

[9] 何存富，張君嬌，沈功田，等. 大型觀覽車滾動軸承的聲發(fā)射特性[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39(5)：653-659.

[10] 龍小江，李秋鋒，何才厚，等. 不同拉伸速率下鋼材損傷的聲發(fā)射監(jiān)測評價(jià)[J]. 振動與沖擊，2017，36(7)：219-225.

[11] 熊亞飛，李強(qiáng)，葉輝. Q345R鋼焊接缺陷聲發(fā)射信號的時(shí)頻分析[J]. 無損檢測，2014，36(9)：19-24.

[12] 龍飛飛，王瓊，宋陽，等. 基于K均值聚類對Q345R鋼低溫拉伸的聲發(fā)射信號分析[J]. 無損檢測，2013，35(9)：23-26.

[13] 李昕，羅更生，龍盛蓉，等. 鋼板聲發(fā)射時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦增強(qiáng)定位方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2016，37(8)：1792-1799.

[14] 李秋鋒，陳建娟，何才厚. 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的聲發(fā)射源定位算法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，28(11)：1659-1663.

[15] 邱楓，戴光，張穎，等. 儲罐底板聲源辨識及定位方法研究[J]. 應(yīng)用聲學(xué)，2015，34(4)：364-372.

[16] 劉增華，董拓燦，彭秋玲，等. 碳纖維復(fù)合材料板的聲發(fā)射源定位[J]. 無損檢測，2016，38(10)：48-52.

[17] 馮劍飛，耿榮生，鄔冠華，等. 機(jī)體飛行載荷疲勞試驗(yàn)中的聲發(fā)射特性分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(8)：6-11.

[18] 胡聰，吳瓊，李秋鋒，等. 時(shí)間反轉(zhuǎn)在列車轉(zhuǎn)向架聲發(fā)射源定位中的應(yīng)用[J]. 中國測試,2016，42(12)：136-139.

[19] 王慧晶. 基于聲發(fā)射參數(shù)的材料疲勞斷裂研究[D].大連：大連理工大學(xué),2013.

[20] 耿榮生，沈功田，劉時(shí)風(fēng). 聲發(fā)射信號處理和分析技術(shù)[J]. 無損檢測，2002，24(1):23-28.