Q235B 鋼板拉伸損傷試驗(yàn)的聲發(fā)射特性

Q235B鋼板拉伸損傷試驗(yàn)的聲發(fā)射特性

張一輝1，張文斌2，許飛云2，張延兵1，江煜2

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院,江蘇南通226011； 2.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京211189)

摘要：制作完整和焊接兩種Q235B板材試樣，利用聲發(fā)射技術(shù)對其拉伸過程的損傷特性進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)獲得的拉伸過程載荷時(shí)間歷程曲線和材料損傷聲發(fā)射信號，結(jié)合金屬材料力學(xué)行為特性，對材料損傷聲發(fā)射信號的幅度、振鈴計(jì)數(shù)以及能量等參數(shù)進(jìn)行分析，獲得了材料塑性屈服、強(qiáng)化變形以及斷裂等損傷階段所表現(xiàn)出的聲發(fā)射特性，通過對聲發(fā)射信號撞擊幅度和能量的統(tǒng)計(jì)分析，初步得到了不同損傷階段所對應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)分布范圍。對比分析完整和焊接兩種試樣損傷所表現(xiàn)出的不同聲發(fā)射特性，結(jié)果表明聲發(fā)射特性參數(shù)能夠很好地描述焊接對材料力學(xué)特性的影響，并能以聲發(fā)射參數(shù)“雙峰”分布的形式從微觀上反映焊接對試樣屈服所造成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；Q235B；拉伸試驗(yàn)；損傷模式

中圖分類號:TH17；TP206文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-06-19修改稿收到日期：2014-08-07

Acoustic emission characteristics of Q235B steel plates’ tensile damage tests

ZHANGYi-hui1,ZHANGWen-bin2,XUFei-yun2,ZHANGYan-bing1,JIANGYu2(1. Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province, Branch of Nantong, Nantong 226011, China;2. School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

Abstract:Two Q235B plate tensile samples with and without weld joint were fabricated and their tensile damage properties were monitored by using acoustic emission technology (AET). Based on the loading time-history curves and the material damage acoustic emission signals during tensile tests, combined with the metal material mechanical behavior, the acoustic emission characteristics of the plates during plastic yielding, deformation strengthening and material fracture, etc. damage stages were obtained by analyzing AE amplitude, ringing counts and energy, etc. parameters. The AE parameter distribution ranges for different damage phases were also preliminarily gained using the statistical analysis of AE impact amplitude and energy. It was shown that the effects of welding on the material mechanical properties can be well described with AE characteristics through contrastive analysis of two tensile samples, and the yield process of welding area can be reflected with the “twin peaks” distribution of AE parameters on micro point. The test results provided reference data for application of AE technique in structural condition monitoring of cranes.

Key words:acoustic emission; Q235B; tensile test; damage pattern

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是指材料在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生損傷并以彈性應(yīng)力波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。利用AE傳感器采集損傷源所產(chǎn)生的聲發(fā)射波并以此對損傷狀態(tài)做出正確判斷的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)[1]。作為一種新型的無損檢測方法，聲發(fā)射技術(shù)相對于常規(guī)方法具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、覆蓋范圍廣以及對工作環(huán)境不敏感等優(yōu)勢，近幾年已在石油化工、航空航天、電力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-4]。

聲發(fā)射技術(shù)區(qū)別于其他常規(guī)無損檢測方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是其AE信號來源于損傷缺陷本身，所以檢測結(jié)果的可靠性依賴于對結(jié)構(gòu)材料不同損傷模式相應(yīng)聲發(fā)射特性的了解，基于此，國內(nèi)外學(xué)者為推動(dòng)該技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用，通常會(huì)采用實(shí)驗(yàn)的方法來研究相關(guān)結(jié)構(gòu)材料的AE源特性。張昌穩(wěn)等[5]對不同焊接缺陷Q345鋼試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)檢測獲得了不同類型缺陷所對應(yīng)的聲發(fā)射特性。Ennaceur等[6]利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測壓力容器用鋼的裂紋擴(kuò)展，獲得了不同裂紋擴(kuò)展階段的AE參數(shù)特征，為利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)預(yù)測壓力容器剩余壽命提供了可能。Roberts等[7]的研究得出聲發(fā)射計(jì)數(shù)率與疲勞裂紋擴(kuò)展速率之間存在某種合理的相關(guān)性。錢驥等[8]通過單根高強(qiáng)鋼絲和拉索的張拉破壞試驗(yàn)，對單根鋼絲中裂紋擴(kuò)展、鋼絲破斷及索中斷絲點(diǎn)附近和遠(yuǎn)離聲源處的聲發(fā)射全波形信號分析，獲得了不同聲源的波形、頻譜和時(shí)頻特征。Soulioti等[9]采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測混凝土的四點(diǎn)彎曲過程，發(fā)現(xiàn)總的聲發(fā)射活性與其纖維含量成正比。

AE產(chǎn)生機(jī)理及信號源特性與材料內(nèi)部的損傷模式密切相關(guān)，為將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場起重機(jī)損傷監(jiān)測，本文對起重機(jī)常用材料Q235B完整和焊接鋼板的整個(gè)拉伸損傷過程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測，研究該材料損傷狀態(tài)與其AE信號之間的映射關(guān)系。

1金屬材料損傷聲發(fā)射源機(jī)理分析

1.1彈性變形與聲發(fā)射

彈性變形的本質(zhì)是材料在應(yīng)力作用下，其內(nèi)部的晶格發(fā)生彈性伸長或歪扭，但原子偏離距離并未超過晶格原子的間距，即原子間的結(jié)合鍵并沒有發(fā)生破壞，卸載后變形會(huì)迅速恢復(fù)，所以幾乎沒有應(yīng)變能的釋放[10]，相關(guān)研究表明，聲發(fā)射儀在此時(shí)所采集的信號主要來源于機(jī)械摩擦干擾。

1.2塑性變形與聲發(fā)射

塑性變形是形成聲發(fā)射源的一個(gè)重要原因，其實(shí)質(zhì)是材料內(nèi)部原子間的平衡在外力作用下不斷被打破但又迅速達(dá)到新的平衡的過程，此過程主要以滑移的形式通過晶體材料內(nèi)部原子間的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行[11]。穩(wěn)定的位錯(cuò)處于低能量狀態(tài)，而在外力作用下晶體點(diǎn)陣將會(huì)發(fā)生畸變使得能量升高，高能位的位錯(cuò)將會(huì)向低能位運(yùn)動(dòng)以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在這個(gè)過程中將會(huì)釋放出多余的應(yīng)變能，從而產(chǎn)生了AE波。

Carpenter[12]通過對7075鋁合金塑性變形過程中的聲發(fā)射源分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射率與晶體內(nèi)可動(dòng)位錯(cuò)密度變化存在關(guān)系：

式中：dN/dt為單位時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)；ρm為可動(dòng)位錯(cuò)密度。

所以，一般金屬材料在屈服點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的高峰，而隨著材料進(jìn)入強(qiáng)化階段，其聲發(fā)射計(jì)數(shù)率將會(huì)急劇減小。

1.3微裂紋萌生擴(kuò)展與聲發(fā)射

材料損傷中的微裂紋萌生與擴(kuò)展和塑性變形有關(guān)。材料發(fā)生塑性變形，其晶格結(jié)構(gòu)因位錯(cuò)塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而形成疲勞源，即裂紋成核。由于Q235B具有較好的塑性，在裂紋形成后，其向前擴(kuò)展是間斷進(jìn)行的，而且在發(fā)展成宏觀裂紋之前有一個(gè)漫長的過程，在這個(gè)過程中，材料的局部應(yīng)力周期性地得到釋放，從而伴隨著聲發(fā)射信號的產(chǎn)生，直到材料開始失穩(wěn)擴(kuò)展形成快速斷裂，此時(shí)由于瞬間釋放能量較大，將會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的AE信號[13]。

2實(shí)驗(yàn)過程

2.1實(shí)驗(yàn)試樣制備

制備Q235B完整和焊接兩種鋼板試樣各3塊，其中焊接試樣采用兩塊同質(zhì)、同批鋼材對接而成，圖1所示即為焊接試樣結(jié)構(gòu)和幾何尺寸，其中S1、S2為兩間距為200 mm的AE傳感器。實(shí)驗(yàn)所用樣本厚度均為4mm。

圖1　拉伸焊接試樣結(jié)構(gòu)和幾何尺寸(mm) Fig.1 Structure and geometry size of welding sample (mm)

圖2　拉伸實(shí)驗(yàn)專用U型夾具(mm) Fig.2 Special U-shaped clamp for tensile experiment (mm)

為降低摩擦噪聲的干擾，設(shè)計(jì)拉伸實(shí)驗(yàn)專用夾具如圖2所示，使試驗(yàn)機(jī)與試樣通過銷軸連接，并在試樣端部設(shè)計(jì)加強(qiáng)板以提高其局部強(qiáng)度，避免銷孔在拉伸時(shí)出現(xiàn)局部撕裂。

2.2實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)置

加載系統(tǒng)采用德國Zwick/Roell Z100型電子材料試驗(yàn)機(jī)，聲發(fā)射采集系統(tǒng)采用美國PAC公司SAMOS型48通道聲發(fā)射儀，傳感器型號為DP15I，其中心頻率為150 kHz。圖3所示為實(shí)驗(yàn)原理及現(xiàn)場傳感器安裝圖。

圖3　實(shí)驗(yàn)原理圖及現(xiàn)場圖片 Fig.3 The schematic diagram of experiment and field images

儀器參數(shù)設(shè)定值門檻值/dB40采樣頻率/MHz1帶通濾波頻帶/kHz100～400采樣長度/K4峰值定義時(shí)間PDT/μs300撞擊定義時(shí)間HDT/μs600撞擊閉鎖時(shí)間HLT/μs1000

實(shí)驗(yàn)開始前，按表1設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對試樣預(yù)加載50 N保證夾具、銷軸及試樣充分接觸后，加載系統(tǒng)開始以6 mm/min的速度施加載荷，同時(shí)采集AE信號直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，為進(jìn)一步降低非材料損傷信號對分析結(jié)果的影響，將能量計(jì)數(shù)小于3的偽AE信號濾除。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分析完整和焊接兩種鋼板共6塊試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，雖然由于聲發(fā)射事件本身不具有重復(fù)性，導(dǎo)致同種試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在細(xì)微差別，但同種試樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的宏觀統(tǒng)計(jì)特性相似，如材料損傷全過程中AE事件的變化規(guī)律、各AE參數(shù)在不同損傷階段的變化范圍等，因此，本節(jié)僅對兩種鋼板各取一塊試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1拉伸實(shí)驗(yàn)力學(xué)特性分析

為分析焊接區(qū)域損傷聲發(fā)射特性，需要保證焊接試樣從焊縫位置發(fā)生斷裂，所以實(shí)驗(yàn)前將其焊縫區(qū)域用砂輪機(jī)減薄，圖4是兩種試樣拉伸破壞后實(shí)物圖。從圖中可以看出兩種試樣均在中間位置發(fā)生斷裂破壞，且完整試樣在斷裂區(qū)域附近存在明顯的縮頸。為獲取材料拉伸損傷的聲發(fā)射特性，首先對拉伸過程的力學(xué)特性進(jìn)行分析，圖6為兩種試樣拉伸過程載荷隨時(shí)間變化曲線。

圖4　Q235B試樣拉伸斷裂實(shí)物圖 Fig.4 Physical figure of Q235B tensile specimen failure

圖5　Q235B試樣拉伸載荷歷程曲線 Fig.5 Load curves of Q235B tensile specimen

比較兩種試樣的拉伸曲線可以發(fā)現(xiàn)：在彈性變形階段，兩者的載荷隨時(shí)間歷程曲線完全重合，這是因?yàn)閮煞N試樣的母材和結(jié)構(gòu)相同，彈性變形主要發(fā)生在試樣的母材上；焊接試樣的屈服極限高于完整試樣，這是由于焊接熱影響，焊接試樣在焊縫區(qū)域強(qiáng)度得以增強(qiáng)的結(jié)果；隨著載荷的增加，焊接試樣經(jīng)過很短時(shí)間的強(qiáng)化變形過程就發(fā)生了失穩(wěn)斷裂，而完整試樣的強(qiáng)化時(shí)間很長且存在頸縮現(xiàn)象，說明由于焊縫的影響，導(dǎo)致焊接試樣整體的塑性變形能力嚴(yán)重下降，且在焊縫區(qū)域存在的非金屬夾渣物、碳化物、焊接夾渣等的幾率升高，使得試樣在經(jīng)歷較短的強(qiáng)化變形時(shí)間就發(fā)生了斷裂破壞。

以上這些差異充分說明焊接使材料機(jī)械性能發(fā)生了變化，進(jìn)而將會(huì)對材料的聲發(fā)射特性產(chǎn)生影響。因此，參照材料力學(xué)分析方法將拉伸試驗(yàn)過程分為四個(gè)階段，如表2所示，并采用多種聲發(fā)射參數(shù)對兩種樣本的損傷過程進(jìn)行分析。

表2　試樣不同拉伸損傷階段劃分

3.2拉伸損傷聲發(fā)射特性分析

活性和強(qiáng)度是聲發(fā)射特性的兩個(gè)方面，也是工程檢測中對結(jié)構(gòu)損傷做出判定的主要依據(jù)。本文選擇了聲發(fā)射幅值、振鈴計(jì)數(shù)、能量及撞擊數(shù)參數(shù)對材料拉伸損傷的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，其中的AE信號幅值、振鈴計(jì)數(shù)、能量的大小能夠很好地反映出AE事件的強(qiáng)度，同時(shí)也能在一定程度上反映出AE事件的活性，而撞擊數(shù)參數(shù)是AE事件活性的重要表征之一。

3.2.1聲發(fā)射幅度和振鈴參數(shù)歷程分析

圖6、圖7分別為Q235B拉伸損傷過程聲發(fā)射幅度歷程散點(diǎn)圖和振鈴計(jì)數(shù)率歷程圖，圖中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別對應(yīng)表2中四個(gè)損傷階段，通道1、2分別表示兩個(gè)傳感器所接收的AE信號?？梢钥闯?，由于兩傳感器相對試樣中部對稱布置，兩通道數(shù)據(jù)在大小上雖有所差別，但是總體分布趨勢基本一致，說明兩通道均對拉伸試樣的AE特性有一定程度的反映。結(jié)合材料拉伸損傷聲發(fā)射產(chǎn)生機(jī)理，對各階段AE特征進(jìn)行分析。

(1)預(yù)載彈性變形階段 由圖5可以看出兩種試樣的載荷歷程曲線在這一階段完全重合，其聲發(fā)射特性也非常相似，即AE信號幅值低，而且撞擊數(shù)和振鈴計(jì)數(shù)少。其中，預(yù)載主要是為了保證夾具、銷軸及試樣的充分接觸，所以此過程基本上沒有AE產(chǎn)生；預(yù)載之后試樣開始發(fā)生彈性變形，此時(shí)材料內(nèi)部只發(fā)生原子間距離的伸長或縮短，只會(huì)引起原子間勢能的變化，幾乎沒有應(yīng)變能的釋放[10]，所以很少有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，分析其信號來源，主要是由實(shí)驗(yàn)夾具與銷軸及試樣之間的摩擦所引起，反映的是一種摩擦損傷過程。

(2)塑性屈服階段 隨著載荷的增加，試樣開始塑性變形并發(fā)生屈服現(xiàn)象。由圖可以看出，此階段AE信號量明顯增加，表現(xiàn)出很強(qiáng)的活性和強(qiáng)度。

其中，完整試樣在屈服前期AE幅度較低，振鈴計(jì)數(shù)較少，而在屈服后期50 s位置出現(xiàn)了幅度達(dá)到94 dB的信號，振鈴計(jì)數(shù)值取得一個(gè)峰值1 765。分析原因：首先，Q235B屬于多晶體金屬材料，其變形通過位錯(cuò)沿著滑移面逐步移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)，位錯(cuò)以足夠高的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其周圍存在的局部應(yīng)力場使AE得以產(chǎn)生，而在塑性屈服過程中，由于應(yīng)力集中的作用，大量位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伴隨能量釋放，所以產(chǎn)生的AE信號表現(xiàn)出較高的幅值和振鈴計(jì)數(shù)率。其次，材料通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)塑性變形，一旦位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)起來，它就會(huì)加速并引起增殖現(xiàn)象，從而使晶粒碎化，位錯(cuò)密度增加，當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)附近時(shí)，可移動(dòng)位錯(cuò)達(dá)到最大值，從而引發(fā)高幅值強(qiáng)活性的AE源事件。

焊接試樣由于焊接熱影響，其屈服強(qiáng)度有所提高，且由于可能同時(shí)存在多區(qū)域材料的屈服變形，如焊接熱影響區(qū)以及母材部分等，所以屈服時(shí)間有所延長，其在這一階段的AE信號同樣表現(xiàn)出高強(qiáng)度和強(qiáng)活性，但與完整試樣相比又存在差異：首先，焊接試樣的AE撞擊數(shù)、幅值以及振鈴計(jì)數(shù)率取值明顯增大，說明由于焊接熱影響，試樣局部材料得以強(qiáng)化，其在更大的載荷下發(fā)生屈服變形(圖5)，材料內(nèi)部會(huì)釋放更多的能量形成彈性波，從而引發(fā)高幅值強(qiáng)活性的AE事件。其次，焊接試樣在50 s位置AE幅度和振鈴計(jì)數(shù)均出現(xiàn)了一個(gè)極小值，即在該階段AE參數(shù)分布呈現(xiàn)出“雙峰”現(xiàn)象。從完整試樣屈服階段的聲發(fā)射特征以及焊接熱影響角度推測，雙峰分別對應(yīng)于試樣不同區(qū)域材料的屈服過程，其中，第一個(gè)峰對應(yīng)的屈服來自于未受到焊接熱影響的區(qū)域，與完整試樣產(chǎn)生的屈服類似，其所需拉伸載荷較小；而第二個(gè)峰來自于焊縫周圍區(qū)域材料(即熱影響區(qū))的屈服過程，其對應(yīng)的拉伸載荷較大。

(3)強(qiáng)化變形階段 在此階段材料內(nèi)部由于位錯(cuò)密度升高，位錯(cuò)間發(fā)生相互作用，并產(chǎn)生位錯(cuò)塞積、纏結(jié)以及固定割接等，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，因此要試樣繼續(xù)變形需要增加載荷。

由圖可以看出完整試樣在強(qiáng)化階段前期(50～100 s)，聲發(fā)射活性強(qiáng)，AE信號非常密集，但幅值比較低，最高幅值僅為60 dB，振鈴計(jì)數(shù)參數(shù)具有類似的分布特點(diǎn)。在強(qiáng)化階段后期，AE信號量明顯減少，振鈴計(jì)數(shù)取值處于一個(gè)較低的水平，但是出現(xiàn)了不少幅值達(dá)到60～80 dB的高幅值信號。這是因?yàn)殡S著強(qiáng)化的加劇，可移動(dòng)位錯(cuò)的數(shù)量減少，塑性變形難度加大，相比于強(qiáng)化變形前期，其活性明顯降低。而出現(xiàn)的幅值較高的信號，推測其來自于位錯(cuò)塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)的微裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展，由于該類信號表現(xiàn)為突發(fā)型特點(diǎn)，雖然幅值較高，但是由于是瞬態(tài)的，持續(xù)時(shí)間很短，所以導(dǎo)致振鈴計(jì)數(shù)參數(shù)取值較小。

圖6 Q235B拉伸損傷聲發(fā)射幅度歷程圖Fig.6Amplitudehistoryimagesofacousticemission圖7 Q235B拉伸損傷聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)歷程圖Fig.7Countshistoryimagesofacousticemission圖8 Q235B拉伸損傷聲發(fā)射能量累積歷程圖Fig.8Energyaccumulationhistoryimagesofacousticemission

焊接試樣由于塑性能力下降，強(qiáng)化時(shí)間明顯縮短，強(qiáng)度極限增加，其在此階段的AE特征與完整試樣強(qiáng)化階段后期相似。

(4)斷裂階段 完整試樣在斷裂之前存在頸縮現(xiàn)象，其載荷曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)下行特點(diǎn)，由圖可以看出其在頸縮過程中幾乎沒有聲發(fā)射信號的產(chǎn)生，之后材料塑性變形能力消失，試樣發(fā)生快速斷裂，此時(shí)材料瞬間釋放巨大的能量，在325 s出現(xiàn)幅值達(dá)到99 dB、振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到27 766的高能量AE信號。焊接試樣由于熱影響使塑性嚴(yán)重下降，其載荷曲線在強(qiáng)化不久便突然下行，且在實(shí)驗(yàn)中并沒有發(fā)生整體斷裂，只在中間位置局部發(fā)生了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，加之Q235B塑性較好，其釋放出來的能量大部分被裂紋前端塑性區(qū)域吸收，所以相比于完整試樣，其在此階段所產(chǎn)生的AE信號強(qiáng)度較小。

3.2.2聲發(fā)射能量累積歷程分析

圖8為試樣拉伸損傷過程聲發(fā)射能量累積圖，從圖中可以直觀地發(fā)現(xiàn)AE信號能量與不同損傷模式之間的對應(yīng)關(guān)系：

(1)預(yù)載和彈性變形階段，幾乎沒有AE能量的累積，說明此時(shí)材料未發(fā)生損傷，不存在能量的釋放。

(2)隨著載荷的增加，材料發(fā)生塑性屈服損傷，AE信號能量開始積累，其中完整試樣在50 s位置出現(xiàn)AE能量的突變，對應(yīng)于幅值高達(dá)94 dB的AE事件。

(3)在強(qiáng)化變形階段，完整試樣在100 s之前AE能量累積速度非?？?，隨后趨于平緩，而焊接試樣在整個(gè)強(qiáng)化過程中能量累積非常低。這是因?yàn)橥暾嚇釉趶?qiáng)化前期材料仍具有較強(qiáng)的塑性變形能量，而隨著拉伸載荷的增大，晶格結(jié)構(gòu)因位錯(cuò)塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中也隨之增大，此時(shí)位錯(cuò)沿著一定的晶面進(jìn)行滑移以實(shí)現(xiàn)材料的變形，將會(huì)釋放較大的能量；但是隨著滑移的進(jìn)行將會(huì)形成新的位錯(cuò)塞積群，材料塑性能力顯著降低，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，能量釋放隨之減少。

(4)完整試樣在325 s發(fā)生整體快速斷裂，所以出現(xiàn)AE能量累積的突變，而焊接試樣由于只發(fā)生局部裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，釋放能量較低，所以AE能量并未明顯增加。

3.2.3聲發(fā)射特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

由于損傷的嚴(yán)重程度與AE信號的活性和強(qiáng)度緊密相關(guān)，所以對幅值和能量參數(shù)在不同取值區(qū)間的AE撞擊數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表3所示。分析表中信息可以得到如下結(jié)論：

(1)兩種試樣的AE撞擊主要分布在幅值為40～60dB、能量為1～100的區(qū)間內(nèi)，這些信號來源復(fù)雜，包括材料損傷AE源信號、傳播衰減信號以及摩擦噪聲信號，要對其加以區(qū)分，難度較大，可以作為損傷過程的基礎(chǔ)信號進(jìn)行分析。

(2)幅度高于60 dB、能量計(jì)數(shù)大于100的AE撞擊非常少，而且主要出現(xiàn)在Ⅱ、Ⅲ階段，根據(jù)損傷機(jī)理分析可以推測其來自于較大的塑性變形和微裂紋萌生及失穩(wěn)擴(kuò)展。

(3)在第Ⅱ階段焊接試樣在各幅值和能量區(qū)間內(nèi)的AE撞擊數(shù)都要明顯多于完整試樣，說明由于焊接熱影響，焊接試樣局部材料強(qiáng)度得以加強(qiáng)，增加載荷使其發(fā)生塑性屈服損傷會(huì)使材料釋放更多的能量形成AE波。而在Ⅲ、Ⅳ階段，焊接試樣在各區(qū)間的AE撞擊數(shù)低于完整試樣，與其塑性能力顯著下降有關(guān)。

(4)焊接試樣在第Ⅱ階段幅度高于60 dB、能量高于100的撞擊數(shù)非常多，說明焊接對Q235B塑性和強(qiáng)度的影響，使得其損傷聲發(fā)射的活性有所下降，但強(qiáng)度明顯增加。

表3　不同幅值/能量取值區(qū)間的AE撞擊統(tǒng)計(jì)

4結(jié)論

(1)通過對起重機(jī)常用材料Q235B拉伸損傷過程的聲發(fā)射幅度、振鈴計(jì)數(shù)以及能量計(jì)數(shù)等參數(shù)的分析，結(jié)合金屬材料的力學(xué)行為特性，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射能夠很好地表征試樣拉伸損傷過程，并且對損傷機(jī)理也有一定的反映。相比于力學(xué)參數(shù)，聲發(fā)射信號參數(shù)能更細(xì)致地反映材料在拉伸損傷過程中的變化過程。通過對聲發(fā)射幅度和能量的AE撞擊統(tǒng)計(jì)分析，初步得到不同損傷階段所對應(yīng)的AE參數(shù)分布范圍。

(2)Q235B在拉伸損傷過程中，在塑性屈服前后表現(xiàn)出較高的聲發(fā)射活性和強(qiáng)度，而隨著材料進(jìn)入強(qiáng)化變形階段，AE活性和強(qiáng)度逐漸下降，其中少數(shù)幅度較大的AE事件來源于位錯(cuò)塞積引發(fā)的微裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展。

(3)通過對完整和焊接兩種試樣的拉伸損傷聲發(fā)射監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)由于焊接對材料局部塑形和強(qiáng)度的影響，使得其聲發(fā)射特性發(fā)生了明顯的變化，如屈服階段的“雙峰”現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)為聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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第一作者郝蒙男，碩士,1991年11月生

通信作者陳安軍男，碩士,教授,1962年11月生