不同拉伸速率下鋼材損傷的聲發射監測評價

龍小江， 李秋鋒， 何才厚，吳 瓊， 陳 果， 盧 超

(1. 南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2. 無損檢測與光電傳感技術及應用國家地方聯合工程實驗室，南昌 330063；3. 江西省特種設備檢驗檢測研究院 鷹潭分院，江西 鷹潭 335000)

不同拉伸速率下鋼材損傷的聲發射監測評價

龍小江1,2， 李秋鋒1,2， 何才厚3，吳 瓊1， 陳 果1， 盧 超1,2

(1. 南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2. 無損檢測與光電傳感技術及應用國家地方聯合工程實驗室，南昌 330063；3. 江西省特種設備檢驗檢測研究院 鷹潭分院，江西 鷹潭 335000)

鋼材已成為生產的基本材料，被廣泛應用于各行業，目前還沒有對其進行損傷動態監測的有效方法。采用聲發射技術對鋼材Q235在不同的拉伸速率下進行損傷動態監測試驗研究，首先通過試驗獲取了不同拉伸速率時材料的彈性、屈服、強化、頸縮和斷裂各個力學行為階段聲發射信號并提取各個特征參數；然后通過各個特征參數累積量歷程圖歸一化曲線對鋼材拉伸損傷過程進行評價，發現特征參數累積量歷程圖歸一化曲線可以明顯反映出鋼材拉伸整體演變過程及各個力學行為階段特征，并且隨著拉伸速率的減小，在屈服階段的結束端點出現更為明顯的突增量，可作為表征屈服階段和強化階段的重要轉折點。結合拉伸力學，對各個力學行為階段聲發射信號的產生機制和特征進行總結，可為鋼材后期聲發射信號源的產生機制以及后期損傷定量、壽命預測的研究提供參考了依據。

聲發射檢測；鋼材；動態監測；拉伸速率；損傷評價

由于鋼材資源豐富、易于生產加工、綜合性能好等優點以及鋼鐵工業的迅速發展，鋼材及其產品已經普遍應用于國民經濟各類行業和人們日常生活中，成為公眾生活所必須的基礎材料[1-2]。但鋼材被廣泛應用的同時也發生了許多鋼材疲勞損傷導致的安全事故，尤其是在機械、交通運輸、航空航天、核工業及特種設備等涉及安全要求較高的行業，所以要通過掌握先進的檢測手段和可靠的評價方法確保鋼材產品質量和設備運行安全，從而保障人們生命財產安全[3]。

隨著科學技術的發展，無損檢測技術在材料的加工、零件的制造、產品的組裝直至產品使用等整個過程中起著關鍵的作用，不僅可以保證質量和使用安全，還能改進制造工藝、降低生產成本和提高勞動生產率，已被廣泛應用于航空與航天、機械、交通運輸、電力、石油與化工、鍋爐與壓力容器等各個行業，成為現代工業發展必不可少的重要技術手段[4-5]。目前對鋼材產品的常規無損檢測方法大都是在停機的狀況下進行，無法實現在線實時監測和安全評價，而聲發射技術是一種動態無損檢測方法，這種技術能夠對整體結構進行探測和評價，判別出活性缺陷的狀態，并可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的信息，因此已成為動態無損檢測的研究熱點[6-9]。

材料的拉伸力學性能是評價材料性能的一個重要方面，一般通過材料拉伸曲線可表示出材料拉伸強度、屈服強度和斷裂強度等的重要參數[10-11]。本次研究是對Q235鋼材試塊進行不同拉伸加載速率下的聲發射監測試驗，找出聲發射特征參數累積量歸一化曲線對鋼材試塊的整個損傷過程以及各個力學行為階段評價依據，并總結其中規律、特點以及影響變化。然后根據鋼材整個損傷過程以及各個力學行為階段與聲發射信號特征參數間的內在聯系，結合拉伸損傷力學知識，總結出各個損傷階段的聲發射信號產生的原因，不僅為鋼材的聲發射產生機制和特征研究提供試驗依據，同時為鋼材聲發射監測技術的損傷定量、壽命預測的研究提供參考依據。

1 聲發射技術原理

聲發射(Acoustic Emission，AE)是指材料在受到外界作用時，因材料中局部區域迅速釋放彈性能量而產生瞬態應力波的一種物理現象[12-13]。用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源(波源)的技術稱為聲發射技術，聲發射檢測原理如圖1所示[14-17]。

圖1 聲發射技術基本原理Fig. 1 Basic theory of acoustic emission technology

對于聲發射檢測技術而言，它是一種在材料或結構受外力作用過程中，采集以瞬態彈性波形式釋放出的應力波信號進行檢測及評價的技術，是屬于一種動態監測技術。對于鋼材聲發射信號產生機制，研究靜拉伸損傷力學過程中對鋼材聲發射監測信號的評價是必要的。聲發射檢測主要是聲發射源釋放出的彈性波在結構中傳播時攜帶有大量結構或材料損傷處的信息，經過用儀器檢測、分析聲發射信號即可對結構或材料中的損傷情況進行檢測、定位和損傷評估。目前聲發射信號處理方法可分為兩大類：①以多個簡化的波形特征參數來表示聲發射信號的特征，然后對其進行分析和處理；②存儲和記錄聲發射信號的波形，對波形進行各類頻譜分析。在工程實踐中，特征參數處理方法是廣泛使用的經典聲發射信號分析方法，目前在聲發射檢測中仍得到廣泛應用[18-19]，本次研究所采用的方法是在特征參數歷程分析的基礎上，應用了特征參數累積量的歸一化曲線進行不同拉伸速率下的鋼材拉伸損傷過程的監測評價。

2 拉伸試驗研究

2.1 試驗測試

本次采用聲發射監測技術對Q235鋼材在不同拉伸速率作用下，研究拉伸損傷過程中各個力學行為(彈性、屈服、強化、頸縮和斷裂)階段中聲發射信號特征參數及其累積量歸一化的變化趨勢，建立拉伸損傷過程各階段與聲發射特征參數間的內在聯系，進而可實現對鋼材的聲發射動態監測評價。

材料拉伸試驗機是INSTRON(英斯特朗)電液伺服疲勞試驗機，儀器的型號為INSTRON 8801，該設備可進行拉伸、壓縮、低周疲勞、裂紋擴展斷裂以及其他各種動靜態力學性能實驗，載荷容量高達100 kN，可以滿足試驗要求，試驗機如圖2所示。試驗使用8通道PCI-2系統聲發射檢測設備進行試驗信號檢測，檢測設備如圖3所示，其中聲發射傳感器的型號是為R15，中心頻率為150 kHz，可接收各類金屬材料損傷發出的聲發射信號。

圖2 INSTRON 8801試驗機Fig. 2 The INSTRON 8801 experimental facilities

圖3 聲發射檢測系統Fig. 3 The testing system of AE

試驗是按照國家標準:GB/T 228.1—2010的要求完成，試驗前根據標準加工了五塊相同大小的標準拉伸試塊，其材料均為Q235鋼材，試塊尺寸和實物圖如圖4所示。試驗采用線定位方式，只使用聲發射檢測系統的兩個接收通道進行試驗測試，然后在拉伸損傷過程接收聲發射源信號，并提取和分析聲發射幾個主要特征參數，并與材料拉伸損傷過程的力學行為對照，即可實現對材料損傷變化的表征和評估。

圖4 試驗試塊幾何尺寸和實物(單位：mm)Fig. 4 Geometry size and physical picture of testing samples (unit: mm)

試驗前先用塑料薄膜緊貼在拉伸試樣與材料試驗機受力接觸部位的兩端，這樣可以減少摩擦噪聲信號，并將試塊編號為W-01、W-02、W-03、W-04。聲發射傳感器布置的示意圖如圖5所示，傳感器之間的距離為110 mm，1探頭距左邊距為90 mm，2探頭距右邊距為90 mm，左右對稱布置。為使傳感器良好的采集有效信號，傳感器和試件的接觸表面填充聲耦合劑，并使用磁夾具將耦合好的傳感器固定，如圖6所示。然后完成聲發射系統自檢和參數設置工作，通過聲發射檢測儀器控制軟件AE win 進行自檢：①試塊材料衰減的測量，由于試驗試塊是小試塊，衰減很小，測量靈敏度時信號幅度都能滿足要求；②軟件參數設置，根據試塊材料、尺寸和傳感器距離設置好相關參數；③材料聲速的測量，通過斷鉛模擬聲發射定位，由聲發射儀器測得信號源到兩探頭的時間差Δt，由時差法可算出材料聲速，并設置速度參數,本試驗測得聲速約為5 200 m/s；④試驗背景的噪聲測試，對其中一塊不做有效采集工作的試塊進行加載測試，先將門檻值調節到20 dB進行加載采集工作，觀察噪聲信號的幅度值，本試驗中噪聲信號約60 dB,因此門檻設在65 dB。

準備工作完成后即可開始拉伸損傷聲發射監測試驗。為了后期試驗數據的有效分析，材料試驗機加載工作和聲發射采集工作要求同時進行。試驗首先設置試驗機的拉伸速度為2 mm/min，保持該速度對試件加載損傷并采集全過程聲發射信號，直至試塊失效斷裂，試驗中加載和采集現場圖如圖6所示。當2 mm/min速率下試塊拉伸損傷的聲發射采集工作結束后，依次改變拉伸速率為1.5 mm/min、1 mm/min、0.5 mm/min進行測試，并更換試驗試塊，其它工作條件和參數保持不變，試驗后拉伸試塊實物圖如圖7所示。

2.2 試驗結果及評價

經過對試塊在不同拉伸速率下全歷程的損傷監測試驗后，儀器采集到材料從彈性階段到斷裂階段整個變化過程的聲發射信號。因為各個參數定義和單位不同，為了能夠更好一起對比分析整個過程的變化規律，信號分析方法由特征參數歷程分析到提出特征參數累積量歸一化曲線的評價的應用，即對聲發射信號的其中

圖5 聲發射傳感器布置的示意圖Fig. 5 The sketch map of AE sensors arrangement

五個主要特征參數(能量、計數、幅值、上升時間和持續時間)進行累積量曲線歸一化評價分析。在這里是對整個損傷演變過程進行分析，因此采用經歷圖分析法，即通過對聲發射信號參數隨時間或外變量變化的情況進行分析，從而得到聲發射源的活動情況和發展趨勢。本文所使用的歸一化方法的原理主要考慮每個分量對總體的比例情況，采用式(1)進行數據歸一化

(1)

式中：X、P為歸一化前后的數據；Xmax、Xmin為 AE聲發射特征參數累積量X中的最大值和最小值。

圖6 試塊加載和聲發射信號采集圖Fig. 6 The sample loading and AE signal correcting

圖7 試驗后拉伸試塊實物圖Fig. 7 The Physical picture of samples after loading

通過該歸一化處理不會改變每個累積分量對累積總量比例，所以歸一化后更有力于分析整個過程力學行為各個階段聲發射活動情況。經過這些特征參數累積量的歸一化經歷圖與拉伸載荷曲線比較，可以發現聲發射信號能表征裂紋損傷演變的整個過程。圖8為不同拉伸速率下的拉伸加載載荷隨位移變化的拉伸力學曲線，每種拉伸速率下都反映出在損傷變化的五個不同階段，即彈性、屈服、強化、頸縮和斷裂階段(由于斷裂階段，聲發射信號突增，信號幅值很大，給特征參數歸一化分析造成很大影響，且本文也主要是對前幾個力學階段進行分析，所以在歸一化曲線中沒有斷裂階段信號)，能明顯地體現材料塑性特征。

圖8 不同速率下Q235試樣拉伸載荷歷程曲線Fig. 8 Tensile load curves of Q235B specimens under different velocity

為了突出各個階段各個AE特征參數的演變過程，本文利用特征參數累積量歸一化曲線變化過程進行評價。圖9是速率為2 mm/min、1.5 mm/min、1 mm/min、0.5 mm/min下特征參數累積量歸一化以及加載載荷值隨時間的變化曲線圖，加載載荷隨時間變化曲線可以通過力學理論將其分為彈性、屈服、強化、頸縮和斷裂階段，本文是在力學理論基礎上觀察和分析各階段聲發射的活動規律和原因。

通過圖8和圖9可以對塑性鋼材標準試塊拉伸損傷過程AE特征參數累積量在不同加載速率下的對比分析并總結得到以下幾點規律：

(1)不同加載速率下的力學影響的分析。圖8中由加載載荷隨時間變化可以得出鋼材試塊能明顯的區分拉伸損傷過程中各個力學行為的階段，由拉伸力學知識可將其分為彈性、屈服、強化、頸縮以及斷裂階段，且從不同速率下拉伸載荷與位移曲線圖對比可以發現，總體上在試驗的4個加載速率范圍里，加載速率對拉伸曲線的影響不明顯，但是隨拉伸速率的增大，鋼材試塊的屈服強度和抗拉強度會逐漸增大。

圖9 不同速率下AE特征參數累積量歷程歸一化曲線及載荷歷程曲線對照圖Fig. 9 The comparison chart between the accumulation history normalized curves of AE characteristic parameters and tensile load curves under different velocity

(2)在彈性階段，由圖9可以得到在4種拉伸速率下聲發射特征參數累積量歸一化曲線變化很小，且幾乎都為零，意味著不管拉伸速率如何，彈性階段幾乎不產生聲發射信號源。由力學可知試塊處在彈性階段的變形是可以恢復到原始尺寸，在實際監測過程中說明彈性階段的變形是正常。

(3)在屈服階段，從上屈服開始，聲發射各特征參數累積量歸一化曲線變化發生大量增加并持續到屈服階段的結束端點，整個階段各參數的累積量的幾乎成線性增加；隨著加載速率的下降，在屈服階段的結束端點有明顯突增加，到0.5 mm/min速率時成垂直直線持續上升，如圖10所示。在屈服階段開始有塑性變形產生，微觀上表現為材料內部結構發生急劇變化——晶粒位錯、變形甚至晶粒的重新排列，這恰恰也是聲發射源產生的重要原因，而且隨著拉伸速率的減小，明顯地在屈服階段的結束端點處有大量可動位錯數量的產生，這使得聲發射各特征參數累積量歸一化曲線在該點處有明顯地突增現象。

(4)在強化階段，在屈服階段的結束端點過后，聲發射各特征參數累積量歸一化曲線還在增長，但是增長速率逐漸在減小，最后達到平行，即無增量，也就是沒有聲發射信號的產生，如圖11所示。在該階段產生塑性變形，由于位錯的交割和釘扎使可動位錯數目減少所致，聲發射信號產生也慢慢減少。

(5)在頸縮階段，(見圖11)，各速率下特征參數累積量歸一化曲線在整個頸縮階段幾乎處于水平直線，增長率幾乎為0，即在該階段基本不產生聲發射信號，說明在該階段損傷沒有聲發射信號源的產生機制。

圖10 不同速率屈服階段AE特征參數累積量歷程歸一化曲線變化示意圖Fig. 10 The evolution sketch of the accumulation history normalized curves of AE characteristic parameters under different velocity at the yield stage

圖11 強化階段、頸縮階段和斷裂階段AE特征參數累積量歸一化曲線變化示意圖Fig. 11 The evolution sketch of the accumulation history normalized curves of AE characteristic parameters at the strengthen stage, necking stage and fracture stage respectively

(6)在斷裂階段，聲發射信號參數有突增現象，如圖11所示，說明有大量聲發射信號產生，在不同速率下各參數中能量增量比例最大，而其他參數相對很小，說明在斷裂階段產生的是高能量聲發射信號。在該階段，由于前面頸縮階段局部變形的增加，頸縮區域內的材料滑移將累積到很高程度，這時位錯塞積及位錯群密度都會很嚴重，以至在斷裂階段出現聲發射信號的突增，并是高能量信號。

(7)各個特征參數累積量在不同速率下的比較分析。在不同拉伸速率下特征參數累積量歸一化曲線都能明顯地反映出各個力學行為階段，即能通過聲發射信號特征參數的變化過程和特征有效表征鋼材損傷過程；各速率下特征參數幅值累積增量歸一化線在強化階段就接近1，說明在此之后出現的是小幅值信號，而特征參數能量累積增量歸一化線在斷裂階段有較大突增，說明在該階段有高能量信號產生；總體上隨著拉伸速率的減小，在屈服階段的結束端點有較大的突增現象，說明有在該處有大量的可動位錯數量的產生，使得聲發射信號的釋放。

3 結 論

本次主要通過不同拉伸速率下聲發射監測試驗，研究聲發射檢測技術對鋼材拉伸試樣進行損傷監測及評價。通過對Q235鋼材拉伸試塊進行不同拉伸速率的力學拉伸試驗，分析材料拉伸損傷在演變過程中，材料發出聲發射信號的變化規律。通過聲發射特征參數累積量歸一化曲線變化圖建立了5個特征參數與材料拉伸演變過程的內在聯系，總結拉伸過程中彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段和斷裂階段的聲發射信號變化特征，發現用聲發射各特征參數累積量歸一化曲線能更有效的反映出材料拉伸整體演變過程和各階段的相應特征，且隨著拉伸速率減小，聲發射各特征參數累積量歸一化曲線在屈服階段的結束端點處產生越來越明顯的突增現象，更能成為前后兩階段轉變的重要標志。此外，結合拉伸力學知識和聲發射基本原理對各個力學階段聲發射信號產生的原因進行分析和總結，不僅可為鋼材聲發射信號產生機制和特征研究提供試驗依據，而且也可為進一步在受力損傷過程中對鋼材聲發射監測損傷定量、壽命預測的研究提供參考依據。

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Acoustic emission monitoring and evaluation for rolled steel damage under different tensile rates

LONG Xiaojiang1,2, LI Qiufeng1,2, HE Caihou3, WU Qiong1, CHEN Guo1, LU Chao1,2

(1. Key Laboratory of Nondestructive Testing Ministry of Education，Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063, China;2. National & Local Joint Engineering Laboratoory for NDT and Optoelectronic Sensing Technology and Application, Nanchang 330063, China;3. Yingtan Branch, Jiangxi Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Yingtan 335000, China)

Rolled steel becomes the basic material of production and is widely used in various industries, but there is no dynamic monitoring method for rolled steel damage at present. Tests for the dynamic monitoring damage process of steel Q235 under different tensile rates were conducted by using the acoustic emission technique here. Firstly, the acoustic emission signals, produced in the material’s various mechanic behavior stages of elasticity, yield, strengthening, necking and fracture, respectively were obtained under different tensile rates, and the characteristic parameters were extracted. Then the steel tensile damage process was evaluated using the accumulation history images’ normalized curves of characteristic parameters. It was shown that the accumulation history images’ normalized curves of characteristic parameters can obviously reflect the steel tensile whole evolution process and characteristics of each mechanical behavior stage, and the more obvious sudden increment appears at the endpoint of yield stage with decrease in tensile rate, it can be used as an important turning point between yield stage and strengthening stage. Finally, the generation mechanism and characteristics of acoustic emission signals were summarized for each mechanical behavior stage combining with the stretching mechanics. The results provided a reference for further studying the generation mechanism of acoustic emission signals, the quantitative damage and life prediction in rolled steel’s later stage.

acoustic emission testing; rolled steel; dynamic monitoring; tensile rates; damage evaluation

國家自然科學基金項目(11264032；11374134)；江西省自然科學基金項目(20122BAB201024)；國家質檢總局科技計劃項目(2013ZJJZ180)；航空科學基金項目(2014ZD56007)；上海航天科技創新基金項目(SAST201364)；江西省教育廳科技項目(GJJ14530)；無損檢測技術教育部重點實驗室開放基金項目(ZD201429002)

2015-10-19 修改稿收到日期： 2016-02-04

龍小江 男，碩士生，1988年生

李秋鋒，男，博士，副教授，碩士生導師，1976年生

TB5;TH87

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.07.033