含裂紋鋼試樣在拉伸過程中的聲發(fā)射特性

張志魁, 趙紅玉, 張春環(huán)

(1.中國石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司, 任丘 062552；2.河北滄海核裝備科技股份有限公司, 鹽山 061300)

聲發(fā)射技術(shù)引進(jìn)斷裂力學(xué)是為了滿足斷裂力學(xué)的快速發(fā)展。研究初期,聲發(fā)射技術(shù)在斷裂力學(xué)中的應(yīng)用以特征參數(shù)描述斷裂過程為主，徐長(zhǎng)航等[1]對(duì)鋼制標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行了拉伸斷裂及疲勞裂紋開裂試驗(yàn)，并對(duì)試樣的聲發(fā)射特性進(jìn)行了分析，研究了聲發(fā)射的特征參數(shù)與試樣力學(xué)性能之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，聲發(fā)射信號(hào)的能量計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)和幅值等特征參數(shù)能夠很好地反映試樣整個(gè)斷裂過程的力學(xué)參數(shù)，將聲發(fā)射技術(shù)用于工程上的損傷檢測(cè)也是十分有效的。后來龔斌等[2-7]又對(duì)帶缺陷的一系列塑性材料的聲發(fā)射特性進(jìn)行了對(duì)比研究，在研究中用線切割技術(shù)制造試樣缺陷，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并對(duì)檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，從而研究其斷裂時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)特性。MOSTAFAVI S等[8-9]對(duì)金屬材料拉伸斷裂過程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間的關(guān)系進(jìn)行了深入的研究。MERIAUX J等[10-13]則對(duì)3種不同類型裂紋擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的能量計(jì)數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同類型的裂紋產(chǎn)生的能量計(jì)數(shù)也是不相同的，但是能量計(jì)數(shù)在每個(gè)階段都有著明顯的特征。為應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)研究含裂紋SM490A鋼和SUS304鋼試樣在拉伸斷裂過程中的不同力學(xué)行為，筆者對(duì)兩種鋼試樣在拉伸過程中的聲發(fā)射振鈴累積計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)和表面溫度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用厚3 mm、寬45 mm和長(zhǎng)230 mm的SM490A鋼和SUS304鋼板材，其尺寸如圖1所示。試樣中間用線切割加工出寬度為0.3 mm的裂紋。考慮材料各向異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將兩種鋼試樣都沿軋制方向(R試樣)和垂直軋制方向(T試樣)制成兩種平板試樣。SM490A鋼試樣拉伸速度分別為50 mm·min-1和5 mm·min-1，SUS304不銹鋼試樣拉伸速度為25 mm·min-1。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Tensile sample size

聲發(fā)射及特定點(diǎn)溫度測(cè)量試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示,在試樣的裂紋尖端附近貼電阻應(yīng)變片，測(cè)量應(yīng)變；在兩側(cè)分別放置聲發(fā)射探頭、溫度測(cè)量?jī)x和夾式引伸計(jì)，測(cè)量試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射振鈴累積計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)和表面溫度等參數(shù)。

圖2 聲發(fā)射及特定點(diǎn)溫度測(cè)量的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Test site of acoustic emission and temperaturemeasurement at specific points

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SM490A鋼

圖3和圖4為SM490A鋼的應(yīng)力、聲發(fā)射振鈴累積計(jì)數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系圖，圖5和圖6為SM490A鋼的熱電偶溫度、聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系圖,其中熱電偶溫度為相對(duì)于試樣初始狀態(tài)的相對(duì)溫度。

圖3 拉伸速度為5 mm·min-1時(shí)SM490A鋼不同試樣的應(yīng)力、振鈴累積計(jì)數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram between stress, cumulative ringing count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 5 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

圖4 拉伸速度為50 mm·min-1時(shí)SM490A鋼不同試樣的應(yīng)力、振鈴累積計(jì)數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系圖Fig.4 Relationship diagram between stress, cumulative ringing count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 50 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

圖5 拉伸速度為5 mm·min-1時(shí)SM490A鋼不同試樣的溫度、能量計(jì)數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系圖Fig.5 Relationship diagram between temperature, energy count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 5 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

圖6 拉伸速度為50 mm·min-1時(shí)SM490A鋼不同試樣的溫度、能量計(jì)數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系圖Fig.6 Relationship diagram between temperature, energy count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 50 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

從圖3，4中可以看出，在低速拉伸時(shí)，彈性階段的振鈴累積計(jì)數(shù)呈對(duì)數(shù)型增長(zhǎng)；屈服、強(qiáng)化階段，振鈴累積計(jì)數(shù)增長(zhǎng)速率保持不變；裂紋擴(kuò)展階段，振鈴累積計(jì)數(shù)的增加量各不相同，變化趨勢(shì)基本為指數(shù)型曲線，直到振鈴累積計(jì)數(shù)不再增加。

在高速拉伸時(shí)，R試樣在應(yīng)力到達(dá)峰值的60%前，振鈴累積計(jì)數(shù)緩慢增長(zhǎng)，與應(yīng)力變化曲線吻合度不高；而應(yīng)力達(dá)到60%峰值后振鈴累積計(jì)數(shù)增長(zhǎng)較快，此時(shí)振鈴累積計(jì)數(shù)曲線與應(yīng)力變化曲線有較高的吻合度。T試樣在屈服、強(qiáng)化階段，振鈴累積計(jì)數(shù)勻速增加，直到斷裂階段振鈴累積計(jì)數(shù)變化呈指數(shù)型增長(zhǎng)。

從整體上來看，R試樣和T試樣的振鈴累積計(jì)數(shù)曲線基本和應(yīng)力-應(yīng)變曲線保持一致，不同拉伸速度下試樣的振鈴累積計(jì)數(shù)曲線則有著較大的差異。所以試樣在不同拉伸速度下的斷裂過程中，塑性變形、裂紋擴(kuò)展過程并不是一致的，存在著差別。

根據(jù)圖5,6可以看出，彈性階段中，無論拉伸速度高低，由于熱彈性效應(yīng)的影響，試樣表面溫度降低，熱電偶測(cè)量的溫度顯示試樣表面降低了1 ℃左右。而顯示的聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)卻不同,低拉伸速度下R試樣和T試樣的聲發(fā)射信號(hào)、溫度變化趨勢(shì)完全相同。拉伸開始時(shí)，出現(xiàn)了較高的聲發(fā)射能量，是由于試樣與試驗(yàn)機(jī)夾頭產(chǎn)生了摩擦噪聲信號(hào)；隨著載荷的增加，噪聲信號(hào)減少，出現(xiàn)的聲發(fā)射信號(hào)為局部塑性變形產(chǎn)生的信號(hào)。

在屈服、強(qiáng)化階段，由于試樣整體進(jìn)入了屈服階段，塑性變形程度較大，所以試樣表面溫度升高。此時(shí)由于拉伸速度不同，各測(cè)量點(diǎn)溫度和紅外圖像表現(xiàn)出不同的結(jié)果。高速下，試樣靠近裂紋尖端區(qū)域的溫度以相同的趨勢(shì)上升，表明該區(qū)域的塑性變形基本相同；而此階段的聲發(fā)射信號(hào)卻不一樣。此階段R試樣信號(hào)變化不大，呈前高后低趨勢(shì)，應(yīng)力最大時(shí)，能量信號(hào)小；T試樣的能量計(jì)數(shù)值高于R試樣的，中間有幾個(gè)突發(fā)型能量計(jì)數(shù)出現(xiàn)，在應(yīng)力最大時(shí)，能量計(jì)數(shù)最大。低速拉伸下，R試樣與T試樣的聲發(fā)射和溫度曲線與高速下表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。屈服、強(qiáng)化階段中T試樣的塑性變形程度大于R試樣的；T試樣出現(xiàn)的突發(fā)型信號(hào)表明T試樣在塑性變形過程中，其晶體滑移的不連續(xù)性多于R試樣的。

含裂紋鋼試樣的斷裂過程主要是裂紋的擴(kuò)展，這期間試樣溫度在靠近裂紋擴(kuò)展區(qū)域的地方急劇升高，表明除了塑性變形產(chǎn)生溫度外，裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的溫度要高于塑性變形的。

2.2 SUS304不銹鋼

圖7為SUS304不銹鋼試樣的聲發(fā)射振鈴累積計(jì)數(shù)、載荷和時(shí)間之間的關(guān)系圖，圖8為能量計(jì)數(shù)、溫度和時(shí)間之間的關(guān)系圖。

圖7 拉伸速度為25 mm·min-1時(shí)SUS304不銹鋼不同試樣的應(yīng)力、振鈴累積計(jì)數(shù)和時(shí)間關(guān)系圖Fig.7 Relationship diagram between stress, cumulative ringing count and time of SUS304 stainless steel ofdifferent samples at tensile speed of 25 mm·min-1 :a) R sample; b) T sample

圖8 拉伸速度為25 mm·min-1時(shí)SUS304不銹鋼不同試樣的溫度、能量計(jì)數(shù)和時(shí)間關(guān)系圖Fig.8 Relationship diagram between temperature, energy count and time of SUS304 stainless steel of different samples at tensile speed of 25 mm·min-1 :a) R sample; b) T sample

由圖可見：R試樣和T試樣在屈服、強(qiáng)化階段中的振鈴累積計(jì)數(shù)的變化均呈上升趨勢(shì)；由于R試樣在屈服時(shí)就有大量的聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)，因此R試樣前段的振鈴累積計(jì)數(shù)上升較快,T試樣在此階段內(nèi)的振鈴計(jì)數(shù)穩(wěn)定增加。表明R試樣的塑性變形程度比T試樣的大。斷裂過程中T試樣的能量計(jì)數(shù)多于R試樣的，表明T試樣的裂紋開裂、擴(kuò)展程度大于R試樣的。

無論R試樣還是T試樣，整個(gè)過程中溫度變化趨勢(shì)相同，最高溫度接近，表明從宏觀來看兩者的塑性變形率引起的溫度變化相同。

3 結(jié)論

(1) 聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)、振鈴累積計(jì)數(shù)在裂紋擴(kuò)展的各個(gè)階段都有著明顯的曲線特征，且曲線特征和屈服、強(qiáng)化階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本吻合，因此可以用聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)、振鈴累積計(jì)數(shù)來描述屈服、強(qiáng)化階段的塑形變形程度。

(2) 塑性變形率決定了變形至斷裂過程中試樣的溫度變化。

(3) 對(duì)于帶有I型裂紋的SM490A鋼和SUS304鋼，拉伸過程中聲發(fā)射信號(hào)主要集中在塑性變形階段和裂紋擴(kuò)展階段。