基于聲發(fā)射的Q345B鋼失穩(wěn)斷裂模式識(shí)別

，，，，

(1.江西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督信息中心， 南昌 330029； 2.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，電力和通信行業(yè)發(fā)展迅速，鐵塔已廣泛應(yīng)用于人們的生活中。由于長(zhǎng)期工作在自然環(huán)境下，極易受到冰雪等惡劣天氣的影響，鐵塔的鋼結(jié)構(gòu)易受到破壞甚至發(fā)生斷裂而導(dǎo)致倒塌事故。根據(jù)相關(guān)材料的統(tǒng)計(jì)，由裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致鐵塔鋼結(jié)構(gòu)失效進(jìn)而倒塌的事故占70%[1-2]。因此，對(duì)鐵塔鋼結(jié)構(gòu)的研究越來(lái)越受到關(guān)注。

在斷裂力學(xué)中，通常用裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的關(guān)系[1]將疲勞裂紋擴(kuò)展的過(guò)程劃分為3個(gè)階段。大量的研究表明，聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)值也能很好地表征疲勞損傷的3個(gè)階段[3]。為了能對(duì)金屬疲勞損傷程度進(jìn)行實(shí)時(shí)判定，許多學(xué)者[4-6]通過(guò)建立聲發(fā)射計(jì)數(shù)率dC/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的函數(shù)關(guān)系[7-8]，以期對(duì)疲勞損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于噪聲和其他因素的影響，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的數(shù)值變化范圍較大，因而使用該參數(shù)不容易判斷出材料是否進(jìn)入失穩(wěn)斷裂階段。

為了用聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)來(lái)研究金屬失穩(wěn)斷裂的情況，筆者選取鐵塔的常用鋼材——Q345B鋼為代表，建立了聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系,為鋼材疲勞失效的模式識(shí)別提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)試樣及參數(shù)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)試樣

試樣選用的材料是鐵塔常用鋼材Q345B，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》的規(guī)定制作了緊湊拉伸試樣[9]，其長(zhǎng)度為87.5 mm，寬度為84 mm，厚度為9 mm。詳細(xì)參數(shù)如圖1所示。

圖1 緊湊拉伸試樣尺寸示意

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

疲勞拉伸所用的試驗(yàn)機(jī)是美國(guó)進(jìn)口液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)INSTRON 8801。聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)使用的是美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的，其是由4塊PCI-2采集卡組成的8通道全數(shù)字式聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)。

在力學(xué)加載方案中，試驗(yàn)采用載荷頻率為10 Hz的正弦波,最大載荷Pmax=11.11 kN，通過(guò)改變最小載荷值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)力比(R=Pmin/Pmax),用三種應(yīng)力比分別對(duì)試樣進(jìn)行加載，應(yīng)力比為0.1,0.15,0.2。在常溫下，控制每種應(yīng)力比的最大和最小載荷不變，改變應(yīng)力強(qiáng)度因子K進(jìn)行試驗(yàn)。在聲發(fā)射參數(shù)的設(shè)置中，調(diào)節(jié)前置放大器的增益為40 dB，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)的門(mén)檻值為46 dB,較為公認(rèn)的模擬濾波器的頻率范圍主要集中100 kHz～400 kHz，波形采樣率為1 MSPS,峰值定義時(shí)間、撞擊定義時(shí)間和撞擊閉鎖時(shí)間分別為300,600和1 000 μs。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)表征疲勞損傷過(guò)程

從最早的MORTON T M等人[10-11]到現(xiàn)在的很多學(xué)者都研究過(guò)累積振鈴計(jì)數(shù)C和循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其能很好地表征疲勞裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段。由于在試驗(yàn)中疲勞試驗(yàn)機(jī)會(huì)時(shí)刻自動(dòng)記錄試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK和循環(huán)次數(shù)N的數(shù)值，則可以建立ΔK和N的關(guān)系[12],而通過(guò)聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可建立累積振鈴計(jì)數(shù)C和循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系,通過(guò)兩對(duì)關(guān)系式，可以間接地建立累積振鈴計(jì)數(shù)C和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的關(guān)系。

在疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，同步全程采集聲發(fā)射信號(hào)。圖2為6個(gè)試樣的振鈴計(jì)數(shù)值c、聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)值C與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK(MPa·m-1/2)的自然對(duì)數(shù)值在雙極性坐標(biāo)軸中的關(guān)系。

圖2中累積計(jì)數(shù)值在整個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中基本都呈現(xiàn)出3個(gè)比較明顯的跳變，即聲發(fā)射的3個(gè)階段[13-15]，這與前人的研究結(jié)果一致。文章主要研究的是與失穩(wěn)斷裂密切相關(guān)的第二階段和第三階段，第一階段不做重點(diǎn)研究。在聲發(fā)射的第二階段中累積計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)速度整體呈線性趨勢(shì)，這一階段占整個(gè)采集過(guò)程的很大一部分。到了第三階段后，剛進(jìn)入該階段的一段時(shí)間內(nèi)，累積計(jì)數(shù)值的增長(zhǎng)速度會(huì)迅速增加，聲發(fā)射信號(hào)的活躍度大大增加;在進(jìn)入該階段一段時(shí)間后，累積計(jì)數(shù)值的增長(zhǎng)速度和聲發(fā)射信號(hào)的活躍度會(huì)出現(xiàn)短暫地降低，但是總體趨勢(shì)還是在快速增加，最終導(dǎo)致試樣斷裂。

累積計(jì)數(shù)值在進(jìn)入第三階段后，其斜率呈現(xiàn)一種“高-低-高”的規(guī)律，這由圖2(b),(d),(e)能夠很明顯地看出，其振鈴計(jì)數(shù)與聲發(fā)射信號(hào)活躍度都會(huì)呈現(xiàn)出類(lèi)似的規(guī)律。這是因?yàn)樵谄诹鸭y擴(kuò)展過(guò)程中,振鈴計(jì)數(shù)的表現(xiàn)規(guī)律與裂紋尖端能量的集中或釋放有關(guān)。

2.2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系分析

由于聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)能很好地描述整個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程，為了能對(duì)疲勞損傷程度進(jìn)行實(shí)時(shí)判定和預(yù)測(cè)，許多學(xué)者建立了聲發(fā)射計(jì)數(shù)率dC/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的函數(shù)關(guān)系[16]。

圖3為6個(gè)試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的自然對(duì)數(shù)值的關(guān)系曲線。

圖3 Q345B鋼材在不同應(yīng)力比下,振鈴計(jì)數(shù)率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系

從圖3能看出：① 聲發(fā)射計(jì)數(shù)率與ΔK的自然對(duì)數(shù)值的關(guān)系不呈明顯的線性關(guān)系，聲發(fā)射數(shù)據(jù)分散性較大，主要影響因素有信號(hào)中夾雜著不可避免的噪聲、傳感器與試樣的耦合情況、裂紋擴(kuò)展中能量的積聚和釋放等。② 在聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)值進(jìn)入第三階段時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)分散性很大，導(dǎo)致在用計(jì)數(shù)率表征疲勞損傷的過(guò)程中，第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)并不清晰，從而不容易判斷出材料是否進(jìn)入疲勞裂紋的失穩(wěn)斷裂階段，不適用于預(yù)警疲勞斷裂。

2.3 聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)對(duì)失穩(wěn)狀態(tài)的識(shí)別

2.3.1 聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)對(duì)疲勞損傷過(guò)程的描述

根據(jù)前面的研究可知,計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)在整個(gè)過(guò)程中分散性較大，但在剛進(jìn)入第三階段的一段較短的時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)出現(xiàn)相對(duì)收斂的特性，而在第三階段內(nèi)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)值，呈現(xiàn)出“持續(xù)高-持續(xù)低-持續(xù)低”的變化規(guī)律。根據(jù)聲發(fā)射計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)離散程度的不同，筆者首次用計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)來(lái)表征整個(gè)疲勞損傷過(guò)程。

離散系數(shù)是極差、平均差、方差或標(biāo)準(zhǔn)差等變異指標(biāo)與算術(shù)平均數(shù)的比率，以相對(duì)數(shù)的形式表示變異程度，是測(cè)量數(shù)據(jù)離散程度的相對(duì)統(tǒng)計(jì)量，最常用的離散系數(shù)是用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)計(jì)算的，也稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ。

(1)

在MATLAB中可以用標(biāo)準(zhǔn)差std(·)函數(shù)和平均值mean(·)函數(shù)，來(lái)間接求數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)。

2.3.2 計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值關(guān)系的分析

圖4為計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的自然對(duì)數(shù)值的關(guān)系。

從圖4(a),(b),(c),(d)中可以看出，ln(ΔK)分別在3.688,3.890,3.826,3.663,3.528附近時(shí)，計(jì)數(shù)率離散系數(shù)呈現(xiàn)出從分散性很大到一段時(shí)間內(nèi)集中的趨勢(shì)。通過(guò)觀察累積計(jì)數(shù)圖和計(jì)數(shù)率離散系數(shù)圖(圖2和圖4),可以看出其在第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處基本相同，而計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)可以很清晰地表現(xiàn)這一特征。因此，計(jì)數(shù)率離散系數(shù)在第二階段和第三階段變化規(guī)律的不同與計(jì)數(shù)率離散系數(shù)的變化情況，可為聲發(fā)射Q345B失穩(wěn)斷裂模式的識(shí)別提供依據(jù)。

圖4的計(jì)數(shù)率離散系數(shù)的數(shù)據(jù)分散性很大，也沒(méi)有集中的趨勢(shì)，圖2的累積計(jì)數(shù)值也不能明顯地看出第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這可能是因?yàn)樵撛嚇右恢痹诘诙A段并沒(méi)有進(jìn)入第三階段。這也從側(cè)面證明了計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)在第二階段和第三階段的變化是不同的。

圖4所示的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率離散系數(shù)的變化情況表現(xiàn)在累積計(jì)數(shù)值表征疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段的數(shù)據(jù)分散性大與剛進(jìn)入第三階段的數(shù)據(jù)會(huì)有集中趨勢(shì)這兩個(gè)方面，這一變化情況可通過(guò)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率離散系數(shù)的方差來(lái)反映，即離散系數(shù)數(shù)據(jù)分散性大其方差就大，反之，其方差就小。表1為圖4對(duì)應(yīng)試樣的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率離散系數(shù)的方差。

圖4 Q345B鋼材在不同應(yīng)力比下,計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系

試樣第二階段內(nèi)第二、三階段交界處第三階段內(nèi)最大值最小值平均值轉(zhuǎn)折點(diǎn)值最大值最小值R=0．1，試樣10．19720．03070．07370．01090．07310．0041R=0．1，試樣26．86320．18362．49810．06941．18550．0130R=0．15，試樣10．82840．05400．19620．02150．10470．0125R=0．15，試樣24．91070．04860．69230．00331．72700．0023R=0．2，試樣10．05630．00750．01620．00240．04580．0009

從表1可看出，累積計(jì)數(shù)值所表征的第二階段聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率離散系數(shù)方差值的最小值到第二、三階段交界點(diǎn)處的轉(zhuǎn)折點(diǎn)值，會(huì)發(fā)生明顯地跳變(向下跳變60%以上)，且保持較低的數(shù)值運(yùn)行，這是因?yàn)榈谌A段內(nèi)的最大值比第二階段的最大值小60%以上。因此，AE振鈴計(jì)數(shù)率離散系數(shù)的方差值也可作為聲發(fā)射Q345B失穩(wěn)斷裂模式的識(shí)別參數(shù)。

2.3.3 驗(yàn)證計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

柴孟瑜等[5]通過(guò)對(duì)Q345R疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程的聲發(fā)射研究，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射參數(shù)在第二及第三階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)比線彈性斷裂力學(xué)定義的轉(zhuǎn)折點(diǎn)要提前，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠提前預(yù)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程的失穩(wěn)斷裂階段。

為了驗(yàn)證上面的結(jié)論和用聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的規(guī)律，現(xiàn)在繼續(xù)用應(yīng)力比為0.15的兩個(gè)試樣做全程的疲勞拉伸試驗(yàn)，即把試樣全拉至斷裂。這兩個(gè)試樣的計(jì)數(shù)率離散系數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的自然對(duì)數(shù)值的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 Q345B鋼材的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系

通過(guò)這兩個(gè)試樣的驗(yàn)證性試驗(yàn)，可以很明顯地看出,計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)能很好地識(shí)別出裂紋擴(kuò)展從第二階段到第三階段的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)是振鈴總計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)，是針對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行描述的，以累積計(jì)數(shù)為基礎(chǔ)研究聲發(fā)射計(jì)數(shù)率,發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)分散性很大，故其無(wú)法對(duì)疲勞損傷進(jìn)行有效地預(yù)測(cè)，也不適用于失穩(wěn)斷裂模式的識(shí)別。筆者建立的Q345B鋼材聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系，可為利用聲發(fā)射技術(shù)作為Q345B鋼材失穩(wěn)斷裂模式的識(shí)別提供預(yù)警依據(jù)。

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