LY12鋁合金試件拉伸聲發射信號特征分析與狀態識別

丁立偉

(兗礦集團科澳鋁業有限公司，山東 濟寧 272000)

LY12鋁合金是一種高強度硬鋁，廣泛應用于航空高負荷零件和構件中，如飛機結構(蒙皮、骨架、肋梁及隔框等)、鉚釘、導彈構件、卡車輪轂、螺旋槳元件等[1,2]。LY12鋁合金雖然應用比較廣泛，但是對其進行完整損傷形成和發展過程的檢測試驗手段比較匱乏[3]。有研究表明聲發射檢測技術完全可以勝任這項任務。聲發射指當材料受內/外力作用產生變形或斷裂時以彈性波釋放出應力-應變的現象。聲發射檢測技術可用于動態檢測被測對象的缺陷或損傷、流體泄漏、摩擦及燃燒等情況，已廣泛應用于制造、金屬材料、復合材料、巖石、過程監測、壓力容器及飛機探傷等領域[4,5]。聲發射具有實時性強、提前預警和不影響被測對象工作狀態的特點，使其具有其他無損檢測技術無法取代的優勢。

目前對LY12鋁合金在拉伸狀態下的聲發射特征檢測相對較少，因此檢測LY12鋁合金材料的多種拉伸狀態下的聲發射特性是十分必要的[6,7]。在此，筆者利用聲發射技術研究了LY12鋁合金試件在彈性、屈服、塑性變形和斷裂階段的聲發射信號特征，以期獲得試件狀態與聲發射信號特征之間的關系，為LY12鋁合金材料部件的定損提供實驗依據。

1 試驗材料①

本次試驗中所使用的材料為LY12高強度鋁合金，其化學成分為：硅(0.50%)、銅(3.80%～4.90%)、鐵(0.50%)、錳(0.30%～0.90%)、鎂(1.20%～1.80%)、鉻(0.10%)、鎳(0.50%)、鋅(0.25%)、鈦(0.15%)、其他(0.15%)，其余為鋁。先采用機械加工計數制備試件，如圖1所示，試件結構尺寸420mm×50mm×2mm，無裂紋無損傷。

圖1 試件尺寸

2 試驗裝置

試件拉伸采用WEW-100萬能試驗機，聲發射檢測裝置采用美國物理聲學公司的PCI-2型聲發射檢測系統，傳感器選用諧振式傳感器，其工作頻率150kHz。構建的拉伸試驗系統如圖2所示，傳感器布置于試件試驗區的兩端，傳感器的前置放大器增益為40dB，門檻值30dB，采樣頻率2MHz，峰值限定時間200ms，聲發射擊波限定時間600ms，聲發射擊波閉鎖時間800ms。

圖2 拉伸試驗系統示意圖

3 試驗及結果分析

3.1 持續拉伸試驗

持續拉伸試驗的拉伸速度設為150N/s，試驗持續歷時1 287s，試件材料最大可承受應力24kN，整個拉伸過程分為3個階段。試件拉伸和聲發射事件特征如圖3所示。

圖3 試件拉伸和聲發射事件特征

材料的彈性變形階段為0～150s，彈性變形的實質是材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來的形狀。從聲發射事件積累計數曲線(圖3)可以看出，聲發射事件計數只有一個突發的計數積累，之后并沒有增加。由此表明，在材料的彈性變形階段，材料不產生或產生少量的聲發射信號。

材料的屈服階段在150～200s之間，通過圖3中的拉伸應力曲線可以看出，試件并沒有明顯的屈服階段，通常規定以卸載后產生0.2%的塑性變形的應力為屈服應力。經試驗測試，試件的屈服應力約18kN。試驗設定材料屈服應力范圍內的時間段為屈服階段。在此階段內，事件計數相比前一階段有明顯的增加，這說明在材料的屈服應力段，開始有大量聲發射信號產生。

材料的塑性變形階段是從200s至斷裂結束。塑性變形指材料內部出現大量的位錯，使材料發生永久性的變形，并且在此階段后期，材料會出現裂紋，裂紋經歷成核、擴展直至斷裂。在試驗中，材料的塑性變形階段出現鋸齒流變現象。從圖3的事件累積計數曲線可以看出，塑性變形階段的前期事件計數有較大幅度的增加。而在900s至試件斷裂的時間段內，事件計數增長相對前半段較為平緩。因而，從聲發射事件計數的增長變化可以很明顯地反映材料在拉伸過程中的狀態變化，特別地可用于區分彈性變形階段和塑性變形階段。

將事件計數與聲發射信號的平均幅值變化結合，可以更為明顯地反映聲發射在材料拉伸過程的階段特性。圖4為聲發射信號平均幅值圖，彈性變形階段(0～150s)只在前期有一段相對較高幅值的信號產生，隨后平均幅值就開始減小，前期的高幅值信號主要是試驗機夾具產生的摩擦噪聲，隨后的數量較少；幅值較低的信號為材料內部小部分缺陷產生的聲發射信號。在屈服階段(150～200s)，平均幅值有所提高，當材料進入塑性變形階段，即200s之后，聲發射信號平均幅值相比前兩個時間段內的信號平均幅值提高較為明顯，有的甚至達到60dB以上，這主要是由于材料發生塑性變形，材料內部出現大量位錯，從而產生了大量的聲發射信號[8]。在900s至試驗結束的時間段內，聲發射信號的平均幅值較之前有所降低，但是幅值變化較為穩定。這一過程的聲發射信號主要是由裂紋萌發和擴展產生的。

總之，上述兩個主要的聲發射特征參數已經可以很明顯地區分試件所處拉伸過程的各個階段。證實聲發射技術完全可以動態地檢測材料內部產生的變化。

圖4 聲發射信號平均幅值

3.2 保壓試驗

由持續拉伸試驗可以看出，試件在24kN斷裂，為了分析保壓工況下的聲發射信號特征，設定在拉伸應力達到10、20kN時分別進行2min的保壓，保壓試驗應力與聲發射事件計數如圖5所示。

圖5 保壓試驗應力與聲發射事件計數曲線

對比持續拉伸試驗，圖5所示的應力在10kN時正處于材料的彈性變形階段。當進行保壓之時，聲發射事件計數并未增加。保壓2min后，繼續加載，當加載到屈服應力以前，聲發射事件計數只有少量增加。應力加載至材料的屈服階段(400～450s)時，聲發射事件計數才有相對明顯的增加，這與持續拉伸試驗的聲發射事件計數特征相符，說明在材料彈性變形階段進行保壓并不會有聲發射信號產生，聲發射事件計數在此階段的特性也并未受到影響。

試驗材料在20kN保壓時，材料處于塑性變形階段。在保壓之前，即500s之前，聲發射事件計數增加迅速。當進行保壓時，聲發射事件計數并未增加。保壓2min后，繼續對材料加載，直至斷裂，其聲發射事件計數曲線與持續拉伸試驗相應階段的事件計數變化基本一致，說明在塑性變形階段，對試驗材料進行保壓也不會產生聲發射信號，同時保壓并不會對后續加載試驗的聲發射事件特性產生影響[9]。

從上述試驗可以看出，無論材料處于何種拉伸變形階段，對其進行保壓，都不會產生聲發射信號，同時也不會影響其后續聲發射信號的產生。當試件受持續恒負載時，根據聲發射的特征參數可以判定其狀態也不會發生變化。

3.3 重復加載試驗

在材料或構件的實際應用中，重復加載是常見工況。重復加載試驗操作過程為：拉伸應力在11、16、20kN時保壓2min，保壓后，卸載應力分別至6、6、3kN進行保壓，然后繼續加載。同時對重復加載過程中的聲發射信號特征參數進行研究。重復加載試驗應力和聲發射事件計數如圖6所示。

圖6 重復加載試驗應力和聲發射事件計數

在11kN進行重復加載時，材料正處于彈性變形階段。在圖6中，進行保壓和卸載時，聲發射事件計數沒有明顯的變化。當從6kN進行加載后，約450s時，聲發射計數并未明顯增加。從450s繼續加載，材料進入屈服階段，聲發射事件計數有明顯的增加，變化規律也與持續拉伸試驗吻合。在16kN進行重復加載時，材料處于屈服階段。從500s時刻起至800s，聲發射事件計數并未增加。自800s起，聲發射時間計數才有明顯的增加，并且增加規律與持續拉伸試驗此階段的規律相符。拉伸應力達到20kN時，材料發生塑性變形。對材料進行重復加載，由事件累積計數曲線可以看出，從1 100s至重復加載到相應應力前，聲發射事件計數并未增加，并且曲線后面的變化規律與持續拉伸試驗一致。

在重復加載過程中，聲發射事件計數與拉伸應力存在明顯的對應關系(圖7)，在3次重復加載試驗中，材料在重復載荷到達之前，所加載的最大應力之前并不會產生聲發射信號。當重新加載至超過卸載之前的最大應力時，材料會繼續產生聲發射信號，聲發射特征符合對比的持續拉伸試驗各個階段的聲發射特征。因此，對無裂紋和損傷的材料進行重復加載過程時，無論材料處于何種變形階段，在重復載荷到達之前所加載最大載荷之前不會發生明顯聲發射，并且重復加載并不會影響后續拉伸過程聲發射信號的產生。

圖7 聲發射事件計數與拉伸應力對應關系

4 結束語

利用聲發射技術對LY12鋁合金試件在彈性、屈服、塑性變形和斷裂階段的聲發射信號特征進行試驗，證實聲發射特征可以充分反映材料在拉伸過程所處的變形階段。當拉伸應力穩定的情況下，材料無論處于何種變形階段都不會產生聲發射信號。當材料無缺陷和損傷時，對其進行重復加載，當重復加載到卸載前的應力最大水平前，材料本身并不會產生聲發射信號，這充分反映了聲發射的不可逆性。這幾個結論，都可以作為檢測材料缺陷和損壞的依據。