《工程科学学报》：基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价.pdf_大学文库

工程科学学报，第40卷，第4期：461-468,2018年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.4:461-468,April 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.009:http://journals.ustb.edu.cn 基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价张进，柴孟瑜，项靖海，段权四西安交通大学化学工程与技术学院，西安710049 ☒通信作者，E-mail:quanduan(@mail.xjtu.cd.cn 摘要疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言，非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测，并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究，利用直流电位法测量实验中的裂纹长度，得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测，通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价，同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系，并进行寿命预测.研究表明：声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估，声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段，这可以为工程人员提供失效预警：声发射波形和频谱分析表明，噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长，信号包含的频率成分比较复杂，而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，信号频率主要集中在80~170kHz 范围内：声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系，裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义. 关键词316LN不锈钢：疲劳裂纹扩展；声发射：多参数分析：寿命预测分类号TG142.33·1 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring ZHANG Jin,CHAI Meng-yu,XIANG Jing-hai,DUAN Quan School of Chemical Engineering and Technology,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China Corresponding author,E-mail:quanduan@mail.xjtu.edu.cn ABSTRACT The initiation and growth of fatigue cracks usually lead to serious fatigue failure of steel structures such as pressure ves- sels and pipelines.Therefore,for the safety and reliability of engineering structures,monitoring the fatigue crack growth and evaluating the severity of fatigue damage are important.An investigation of fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel was presented by using the in situ acoustic emission (AE)monitoring technique.Fatigue crack propagation tests of 3161N stainless steel were carried out.The direct-current potential-drop method was used to measure fatigue crack propagation.At the same time,the AE technique was used to monitor propagation of the fatigue cracks in real time.The fatigue damage of 316LN stainless steel was qualitatively assessed by AE multi-parametric analyses such as the AE count,energy,and amplitude.Moreover,the quantitative relationships among AE pa- rameters and the linear elastic fracture mechanics parameters were established for predicting the remaining fatigue life.The results show that the AE technique is effective for evaluating the severity of fatigue damage of 316LN stainless steel.The transition point on the curves of cumulated count,energy,and amplitude indicates that the fatigue crack propagates into the rapid crack propagation stage. This obvious change in AE could potentially provide failure warnings for researchers or engineers.Furthermore,the analyses of wave- form and frequency show that the noise signal with low amplitude and long duration contains complex frequency components,whereas the crack propagation signal is a type of burst signal and the frequency is mainly distributed in the range from 80 to 170 kHz.In addi- tion,the quantitative relations between fatigue crack propagation rate and AE rates such as the count rate,energy rate,and the ampli- tude rate were found to be linear,and these relations were used to predict fatigue crack length.The predicted fatigue crack lengths showed good agreement with the measured crack lengths.The results of the present investigation will be helpful for providing fatigue 收稿日期：2017-06-21

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期: 461--468，2018 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 4: 461--468，April 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 04． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于声发射监测的 316LN 不锈钢的疲劳损伤评价张进，柴孟瑜，项靖海，段权 西安交通大学化学工程与技术学院，西安 710049 通信作者，E-mail: quanduan@ mail． xjtu． edu． cn 摘要疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效．因此就设备的安全可靠性而言，非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测，并对疲劳损伤程度进行评估．本文针对 316LN 不锈钢材料进行疲劳实验研究，利用直流电位法测量实验中的裂纹长度，得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线．利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测，通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价，同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系，并进行寿命预测．研究表明: 声发射能够对 316LN 不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估，声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段，这可以为工程人员提供失效预警; 声发射波形和频谱分析表明，噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长，信号包含的频率成分比较复杂，而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，信号频率主要集中在 80 ～ 170 kHz 范围内; 声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系，裂纹长度预测结果与实测值接近．本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义．关键词 316LN 不锈钢; 疲劳裂纹扩展; 声发射; 多参数分析; 寿命预测分类号 TG142. 33 + 1 收稿日期: 2017--06--21 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring ZHANG Jin，CHAI Meng-yu，XIANG Jing-hai，DUAN Quan School of Chemical Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China Corresponding author，E-mail: quanduan@ mail． xjtu． edu． cn ABSTＲACT The initiation and growth of fatigue cracks usually lead to serious fatigue failure of steel structures such as pressure vessels and pipelines． Therefore，for the safety and reliability of engineering structures，monitoring the fatigue crack growth and evaluating the severity of fatigue damage are important． An investigation of fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel was presented by using the in situ acoustic emission ( AE) monitoring technique． Fatigue crack propagation tests of 316LN stainless steel were carried out． The direct-current potential-drop method was used to measure fatigue crack propagation． At the same time，the AE technique was used to monitor propagation of the fatigue cracks in real time． The fatigue damage of 316LN stainless steel was qualitatively assessed by AE multi-parametric analyses such as the AE count，energy，and amplitude． Moreover，the quantitative relationships among AE parameters and the linear elastic fracture mechanics parameters were established for predicting the remaining fatigue life． The results show that the AE technique is effective for evaluating the severity of fatigue damage of 316LN stainless steel． The transition point on the curves of cumulated count，energy，and amplitude indicates that the fatigue crack propagates into the rapid crack propagation stage． This obvious change in AE could potentially provide failure warnings for researchers or engineers． Furthermore，the analyses of waveform and frequency show that the noise signal with low amplitude and long duration contains complex frequency components，whereas the crack propagation signal is a type of burst signal and the frequency is mainly distributed in the range from 80 to 170 kHz． In addition，the quantitative relations between fatigue crack propagation rate and AE rates such as the count rate，energy rate，and the amplitude rate were found to be linear，and these relations were used to predict fatigue crack length． The predicted fatigue crack lengths showed good agreement with the measured crack lengths． The results of the present investigation will be helpful for providing fatigue

·462· 工程科学学报，第40卷，第4期 failure warnings and predicting the remaining fatigue life of engineering structures KEY WORDS 316LN stainless steel:fatigue crack propagation:acoustic emission:multi-parametric analysis:fatigue life prediction 316LN不锈钢具有强度高、塑性好、耐腐蚀等优弹性断裂力学参数之间的关系对疲劳裂纹扩展状态点，作为压力容器与压力管道等设备的常用建造材进行定量评估.Morton等m学者根据Paris公式和料，己被广泛应用于核电、石油化工等领域.然而，实验结果，推导出声发射计数率和材料应力强度因由于制造、安装工艺以及恶劣运行环境的影响，设备子幅度之间在双对数坐标系下近似呈线性关系. 中往往存在应力集中的结构，这些应力集中区域在 Robert与Talebzadeh分别用裂纹扩展速率和声疲劳载荷的长期作用下，很容易产生疲劳裂纹，甚至发射计数率对材料疲劳寿命进行预测，得到的理论导致疲劳失效.据报道，由疲劳引起的断裂是金属预测值和实验结果比较相近，说明可以利用声发射结构失效的一种主要形式，大致占失效形式的九成技术进行疲劳寿命预测.Rabiei与Modarres在一以上0.因此，对压力设备常用材料316LN不锈钢种铝合金的疲劳裂纹扩展试验中，得到了裂纹扩展进行状态监测具有十分重要的经济效益和社会速率与声发射计数率之间的线性关系，并且建立了意义. 基于贝叶斯推断理论的寿命预测模型，对裂纹扩展声发射是指材料局部在应力作用下发生变形时尺寸的分布进行概率预测，结果表明预测值偏于因能量的快速释放而产生瞬态弹性波的一种物理现保守象，也称为应力波发射.声发射技术是利用电子仪然而，以上研究主要采用声发射计数对疲劳损器对声发射信号进行探测、记录和分析，从而评价声伤的演化过程进行评价，其他参数如能量、幅值等与发射源特征状态的无损检测技术.与其他无损监测疲劳裂纹扩展过程的关联研究较少.因此，为了进方法相比，声发射技术对动态变化的缺陷非常敏感，一步揭示声发射参数与疲劳裂纹扩展过程的关系，可以对缺陷的萌生和扩展阶段进行实时连续监测. 本文以316LN不锈钢材料为研究对象进行了疲劳目前，己有很多研究人员利用声发射技术开展裂纹扩展实验研究，采用声发射信号演化规律对疲了金属材料疲劳损伤的监测和评价研究，并且基于劳损伤状态进行了定性评估，同时建立了声发射参声发射参数对不同程度的疲劳损伤做出高效的定性数与线弹性断裂力学参数如应力强度因子和裂纹扩评估P-.比如，Han等和i等因分别对低合金展速率之间的定量关系式，并基于这些关系式对裂钢Q345R和铝合金的疲劳裂纹扩展过程进行监测，纹扩展尺寸进行预测发现声发射累积计数的演化曲线可以明显分为三个阶段，分别对应于裂纹扩展曲线上裂纹萌生、裂纹稳 1实验试样与设备态扩展和失稳扩展阶段.Han等指出第一阶段产生 1.1实验试样的声发射信号主要由大量裂纹萌生所引发：稳态扩实验中所用的试样取自316LN奥氏体不锈钢展阶段的声发射源为裂纹尖端的塑性变形，以及孔板，其化学成分如表1所示洞形核与长大：而失稳扩展阶段主要是韧窝聚合和表1316LN不锈钢的化学成分（质量分数）韧带剪切所导致.Moorthy等m和Chai等s-)在316 Table 1 Chemical composition of 316LN stainless steel% 不锈钢的疲劳裂纹扩展监测试验中发现，在裂纹扩 C N Cr Ni Mo Mn Si P S 展的稳态扩展阶段，声发射累积计数和能量的演化 0.0230.1616.4311.332.251.450.460.0240.001 规律上存在一个明显的转折点，转折点后的声发射活度要明显低于之前.这是由于裂纹扩展过程中应疲劳实验主要参照GB/T6398一2000《金属材力状态的改变使得循环塑性区的活度发生变化，进料疲劳裂纹扩展速率试验方法》进行，选用三点弯而引起声发射特性的改变.Strantza等o利用声发曲实验方法，加工尺寸相同的三点弯曲试样3个，试射参数对增材制造材料的疲劳损伤区域进行表征，样尺寸如图1所示.试样宽度W为21mm,厚度T 发现累积计数、幅值、平均频率、持续时间等声发射为6mm,采用线切割加工出3mm长的机械缺口，缺参数对材料的疲劳损伤非常敏感，并指出裂纹扩展口宽度为1mm. 区域声发射信号的频率较高且上升时间较小，随着 1.2实验设备疲劳载荷的增大，声发射信号的持续时间越长、撞击实验采用长春仟邦测试设备有限公司的QBG一数越大.另一方面，一些学者采用声发射参数与线 100疲劳试验机，实验设置的载荷区间为1.2~4.0

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 failure warnings and predicting the remaining fatigue life of engineering structures． KEY WOＲDS 316LN stainless steel; fatigue crack propagation; acoustic emission; multi-parametric analysis; fatigue life prediction 316LN 不锈钢具有强度高、塑性好、耐腐蚀等优点，作为压力容器与压力管道等设备的常用建造材料，已被广泛应用于核电、石油化工等领域．然而，由于制造、安装工艺以及恶劣运行环境的影响，设备中往往存在应力集中的结构，这些应力集中区域在疲劳载荷的长期作用下，很容易产生疲劳裂纹，甚至导致疲劳失效．据报道，由疲劳引起的断裂是金属结构失效的一种主要形式，大致占失效形式的九成以上［1］．因此，对压力设备常用材料 316LN 不锈钢进行状态监测具有十分重要的经济效益和社会意义．声发射是指材料局部在应力作用下发生变形时因能量的快速释放而产生瞬态弹性波的一种物理现象，也称为应力波发射．声发射技术是利用电子仪器对声发射信号进行探测、记录和分析，从而评价声发射源特征状态的无损检测技术．与其他无损监测方法相比，声发射技术对动态变化的缺陷非常敏感，可以对缺陷的萌生和扩展阶段进行实时连续监测．目前，已有很多研究人员利用声发射技术开展了金属材料疲劳损伤的监测和评价研究，并且基于声发射参数对不同程度的疲劳损伤做出高效的定性评估［2--4］．比如，Han 等［5］和 Li 等［6］分别对低合金钢 Q345Ｒ和铝合金的疲劳裂纹扩展过程进行监测，发现声发射累积计数的演化曲线可以明显分为三个阶段，分别对应于裂纹扩展曲线上裂纹萌生、裂纹稳态扩展和失稳扩展阶段． Han 等指出第一阶段产生的声发射信号主要由大量裂纹萌生所引发; 稳态扩展阶段的声发射源为裂纹尖端的塑性变形，以及孔洞形核与长大; 而失稳扩展阶段主要是韧窝聚合和韧带剪切所导致． Moorthy 等［7］和 Chai 等［8--9］在 316 不锈钢的疲劳裂纹扩展监测试验中发现，在裂纹扩展的稳态扩展阶段，声发射累积计数和能量的演化规律上存在一个明显的转折点，转折点后的声发射活度要明显低于之前．这是由于裂纹扩展过程中应力状态的改变使得循环塑性区的活度发生变化，进而引起声发射特性的改变． Strantza 等［10］利用声发射参数对增材制造材料的疲劳损伤区域进行表征，发现累积计数、幅值、平均频率、持续时间等声发射参数对材料的疲劳损伤非常敏感，并指出裂纹扩展区域声发射信号的频率较高且上升时间较小，随着疲劳载荷的增大，声发射信号的持续时间越长、撞击数越大．另一方面，一些学者采用声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系对疲劳裂纹扩展状态进行定量评估． Morton 等［11］学者根据 Paris 公式和实验结果，推导出声发射计数率和材料应力强度因子幅度之间在双对数坐标系下近似呈线性关系．Ｒobert 与 Talebzadeh［12--13］分别用裂纹扩展速率和声发射计数率对材料疲劳寿命进行预测，得到的理论预测值和实验结果比较相近，说明可以利用声发射技术进行疲劳寿命预测．Ｒabiei 与 Modarres［14］在一种铝合金的疲劳裂纹扩展试验中，得到了裂纹扩展速率与声发射计数率之间的线性关系，并且建立了基于贝叶斯推断理论的寿命预测模型，对裂纹扩展尺寸的分布进行概率预测，结果表明预测值偏于保守．然而，以上研究主要采用声发射计数对疲劳损伤的演化过程进行评价，其他参数如能量、幅值等与疲劳裂纹扩展过程的关联研究较少．因此，为了进一步揭示声发射参数与疲劳裂纹扩展过程的关系，本文以 316LN 不锈钢材料为研究对象进行了疲劳裂纹扩展实验研究，采用声发射信号演化规律对疲劳损伤状态进行了定性评估，同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数如应力强度因子和裂纹扩展速率之间的定量关系式，并基于这些关系式对裂纹扩展尺寸进行预测． 1 实验试样与设备 1. 1 实验试样实验中所用的试样取自 316LN 奥氏体不锈钢板，其化学成分如表 1 所示．表 1 316LN 不锈钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 316LN stainless steel % C N Cr Ni Mo Mn Si P S 0. 023 0. 16 16. 43 11. 33 2. 25 1. 45 0. 46 0. 024 0. 001 疲劳实验主要参照 GB /T6398—2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》进行，选用三点弯曲实验方法，加工尺寸相同的三点弯曲试样 3 个，试样尺寸如图 1 所示．试样宽度 W 为 21 mm，厚度 T 为 6 mm，采用线切割加工出 3 mm 长的机械缺口，缺口宽度为 1 mm． 1. 2 实验设备实验采用长春仟邦测试设备有限公司的 QBG-- 100 疲劳试验机，实验设置的载荷区间为 1. 2 ～ 4. 0 · 264 ·

张进等：基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 ·463· 专感器试样1 传感器年2 试样3 6 88 图1试样尺寸（单位：mm) Fig.1 Specimen size (unit:mm) 惑2 kN,应力比为0.3s-.采用直流电位法来记录裂纹长度，通过测量疲劳裂纹扩展过程中裂纹两端的 50000 100000150000200000250000 电压，根据电压一裂纹长度的线性关系可求出不同循环次数，N 电压下的裂纹尺寸，该方法详见文献7].裂纹扩图2316LN试样疲劳裂纹扩展曲线展速率由七点递增法计算而得.实验选用美国物理 Fig.2 Fatigue crack propagation curves of 316IN sample 声学公司的24通道SAMOS声发射检测仪监测疲劳由材料性质和实验条件决定的常数，对塑性材料，m 裂纹扩展过程中的声发射信号.两个R15a压电式一般在2~4之间. 窄带谐振声发射传感器固定在试样缺口两侧的对称三点弯试样的疲劳裂纹扩展速率通过七点递增位置，试样与传感器之间用真空硅脂耦合剂粘连，传多项式法来计算，应力强度因子幅度△K按照《金属感器位置如图1所示阁.声发射系统的前置放大材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》中的公式计算获器增益设为40dB,门槛值设置为45dB以抑制噪声得，如下式所示：信号的干扰，采样频率为1MHz.相关研究表明，金 6a2 属材料疲劳裂纹扩展的声发射信号的频率主要分布 4K=4F TFl(1+2a)(1-a)n] 在100~400kHz的范围内0四，因此本文实验中两个 1.99-a(1-a)(2.15-3.93+2.7a2)](3) 通道的模拟滤波器的下限为100kHz,上限为400 式中，△F=F-Fa;T和W是试样的厚度和宽 kHz.为了准确采集到撞击信号，参照SAMOS系统度，mm;a=a/W;a是裂纹长度，mm. 用户手册对于金属小试样的推荐值，设置峰值定义由于三个实验试样的材料、形状尺寸、载荷工况时间、撞击定义时间和撞击闭锁时间依次为300、等均一致，且由图2可知其疲劳裂纹扩展曲线的变 600和1000μs-0 化趋势一致，因此以三组实验数据的平均值表征该 2实验结果和讨论实验条件下316LN不锈钢材料在稳态区内的疲劳裂纹扩展速率.计算拟合得到的疲劳裂纹扩展速率 2.1疲劳裂纹扩展曲线 da/dN与应力强度因子幅度△K的关系，如图3所根据裂纹长度和对应疲劳循环次数绘制疲劳裂示，可以看出，疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子之纹扩展曲线如图2所示.从图中可以看出，随着实间比较好的符合双对数坐标系下的线性关系。根据验疲劳循环次数的增加，试样的裂纹长度在逐渐增拟合结果，求得316LN不锈钢试样在稳态扩展区内长，而且随着实验的进行，裂纹长度的增长速率也在 10 变快.三个试样的疲劳裂纹扩展曲线的变化趋势基本一致. 疲劳裂纹扩展过程可分为三个阶段，分别是近门槛扩展区、稳态扩展区和失稳扩展区，其中稳态扩展区是裂纹扩展的主要研究对象，该阶段内裂纹扩展速率可用Paris公式四描述： =C(AK)- da 105 (1) 或 (C+mlg (AK) (2) 6 7891011121314151617 △K/MPa'm 式中：da/dW是疲劳裂纹扩展速率，单位为mm;△K 图3316LN试样的da/dW-AK关系拟合是应力强度因子幅度，单位为MPam2:C和m是 Fig.3 Fitting curves of da/dN and AK for 316LN specimens

张进等: 基于声发射监测的 316LN 不锈钢的疲劳损伤评价图 1 试样尺寸( 单位: mm) Fig． 1 Specimen size ( unit: mm) kN，应力比为 0. 3［15--16］．采用直流电位法来记录裂纹长度，通过测量疲劳裂纹扩展过程中裂纹两端的电压，根据电压--裂纹长度的线性关系可求出不同电压下的裂纹尺寸，该方法详见文献［17］．裂纹扩展速率由七点递增法计算而得．实验选用美国物理声学公司的 24 通道 SAMOS 声发射检测仪监测疲劳裂纹扩展过程中的声发射信号．两个Ｒ15a 压电式窄带谐振声发射传感器固定在试样缺口两侧的对称位置，试样与传感器之间用真空硅脂耦合剂粘连，传感器位置如图 1 所示［18］．声发射系统的前置放大器增益设为 40 dB，门槛值设置为 45 dB 以抑制噪声信号的干扰，采样频率为 1 MHz．相关研究表明，金属材料疲劳裂纹扩展的声发射信号的频率主要分布在 100 ～ 400 kHz 的范围内［19］，因此本文实验中两个通道的模拟滤波器的下限为 100 kHz，上限为 400 kHz．为了准确采集到撞击信号，参照 SAMOS 系统用户手册对于金属小试样的推荐值，设置峰值定义时间、撞击定义时间和撞击闭锁时间依次为 300、 600 和 1000 μs ［20--21］． 2 实验结果和讨论 2. 1 疲劳裂纹扩展曲线根据裂纹长度和对应疲劳循环次数绘制疲劳裂纹扩展曲线如图 2 所示．从图中可以看出，随着实验疲劳循环次数的增加，试样的裂纹长度在逐渐增长，而且随着实验的进行，裂纹长度的增长速率也在变快．三个试样的疲劳裂纹扩展曲线的变化趋势基本一致．疲劳裂纹扩展过程可分为三个阶段，分别是近门槛扩展区、稳态扩展区和失稳扩展区，其中稳态扩展区是裂纹扩展的主要研究对象，该阶段内裂纹扩展速率可用 Paris 公式［22］描述: da dN = C ( ΔK) m ( 1) 或 ( lg da d ) N = lg C + mlg ( ΔK) ( 2) 式中: da /dN 是疲劳裂纹扩展速率，单位为 mm; ΔK 是应力强度因子幅度，单位为 MPa·m1 /2 ; C 和 m 是图 2 316LN 试样疲劳裂纹扩展曲线 Fig． 2 Fatigue crack propagation curves of 316LN sample 由材料性质和实验条件决定的常数，对塑性材料，m 一般在 2 ～ 4 之间．三点弯试样的疲劳裂纹扩展速率通过七点递增多项式法来计算，应力强度因子幅度 ΔK 按照《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》中的公式计算获得，如下式所示: ΔK = ΔF TW1 /2 [ 6α1 /2 ( 1 + 2α) ( 1 － α) 3 /2 ]· ［1. 99 － α( 1 － α) ( 2. 15 － 3. 93α + 2. 7α2 ) ］( 3) 式中，ΔF = Fmax － Fmin ; T 和 W 是试样的厚度和宽度，mm; α = a /W; a 是裂纹长度，mm．由于三个实验试样的材料、形状尺寸、载荷工况等均一致，且由图 2 可知其疲劳裂纹扩展曲线的变图 3 316LN 试样的 da /dN--ΔK 关系拟合 Fig． 3 Fitting curves of da /dN and ΔK for 316LN specimens 化趋势一致，因此以三组实验数据的平均值表征该实验条件下 316LN 不锈钢材料在稳态区内的疲劳裂纹扩展速率．计算拟合得到的疲劳裂纹扩展速率 da /dN 与应力强度因子幅度 ΔK 的关系，如图 3 所示，可以看出，疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子之间比较好的符合双对数坐标系下的线性关系．根据拟合结果，求得 316LN 不锈钢试样在稳态扩展区内 · 364 ·

·464 工程科学学报，第40卷，第4期的疲劳裂纹扩展速率的Paris公式为：计数等参数分布在一个平稳的范围内，这一阶段 da/dN=4.97×10-7△Ks (4) 对应于裂纹稳态扩展：在1400~1800s时间段内 2.2裂纹扩展过程中的声发射参数分析信号明显增多，这一阶段对应于裂纹快速扩展和取一个典型试样的声发射实验数据进行分析，断裂.能量和计数较高的信号主要出现在实验进绘制声发射信号的能量、计数和幅值随时间变化的行到1400~1800s之间，能量和计数最高的信号历程图，如图4所示，以反映疲劳实验过程中声发射集中出现在疲劳实验即将结束的时刻.声发射信源的活动状态及其发展变化过程.可以看出，在实号的幅值主要在45~60dB范围分布，幅值较大者验开始时，有个别高能量和计数的信号出现，随后在主要出现在实验进行到800~1200s及1500~ 200~1400s的时间段内，声发射信号的幅值、能量、 1800s之间. 50 a 40 F30 0 204 ⊙ 25 10E 500 1000 1500 2000 500 1000 1500 2000 时间s 时间s 70 65 604 55 50 43 500 1000 1500 2000 时间s 图4声发射能量(a)、计数(b)和幅值(c)随时间的变化 Fig.4 Variations of AE energy (a),count (b)and amplitude (c)with respect to fatigue loading time 取图4(a)中的信号局部放大，得到噪声信号和长，疲劳循环次数达到10万次左右时，其增长速率裂纹扩展信号的典型波形及频谱图如图5和图6所明显增大，快速增长直至断裂.表明此时疲劳裂纹示，可以看出噪声信号的幅值较小且信号持续时间扩展过程从稳态扩展区转入失稳扩展区.在图3裂较长，信号包含的频率成分比较复杂，可能是由于试纹扩展速率与应力强度因子的关系图上，裂纹扩展样与疲劳试验机的滚柱接触产生的撞击和摩擦等引速率呈现线性关系，无法判断疲劳裂纹是否进入快起的：而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，其速扩展阶段，而声发射累积计数、能量和幅值等参数信号频率主要集中在80~170kHz范围内.因此在在10万周次时出现转折点，标志着裂纹进入快速扩结构材料的疲劳监测中，类似图5(b)这种特征信号展阶段，这一转折点明显比由线弹性断裂力学识别的出现可以为工程人员提供疲劳损伤失效预警. 的转折点要提前.因此，声发射累积计数、能量和幅将疲劳实验过程中的声发射信号计数、能量及值可以有效识别材料疲劳裂纹扩展过程从稳态扩展幅值进行累积求和，得到累积计数、累积能量和累积进入失稳断裂阶段. 幅值随循环次数的演化规律，如图7所示.可以看 2.3基于声发射参数的疲劳裂纹扩展预测出10万次循环之前，声发射累积参数缓慢稳定增材料在疲劳裂纹扩展过程中，由于塑性变形、断

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期的疲劳裂纹扩展速率的 Paris 公式为: da /dN = 4. 97 × 10 － 7ΔK1. 85 ( 4) 2. 2 裂纹扩展过程中的声发射参数分析取一个典型试样的声发射实验数据进行分析，绘制声发射信号的能量、计数和幅值随时间变化的历程图，如图 4 所示，以反映疲劳实验过程中声发射源的活动状态及其发展变化过程．可以看出，在实验开始时，有个别高能量和计数的信号出现，随后在 200 ～ 1400 s 的时间段内，声发射信号的幅值、能量、计数等参数分布在一个平稳的范围内，这一阶段对应于裂纹稳态扩展; 在 1400 ～ 1800 s 时间段内信号明显增多，这一阶段对应于裂纹快速扩展和断裂．能量和计数较高的信号主要出现在实验进行到 1400 ～ 1800 s 之间，能量和计数最高的信号集中出现在疲劳实验即将结束的时刻．声发射信号的幅值主要在 45 ～ 60 dB 范围分布，幅值较大者主要出现在实验进行到 800 ～ 1200 s 及 1500 ～ 1800 s 之间．图 4 声发射能量( a) 、计数( b) 和幅值( c) 随时间的变化 Fig． 4 Variations of AE energy ( a) ，count ( b) and amplitude ( c) with respect to fatigue loading time 取图 4( a) 中的信号局部放大，得到噪声信号和裂纹扩展信号的典型波形及频谱图如图 5 和图 6 所示，可以看出噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长，信号包含的频率成分比较复杂，可能是由于试样与疲劳试验机的滚柱接触产生的撞击和摩擦等引起的; 而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，其信号频率主要集中在 80 ～ 170 kHz 范围内．因此在结构材料的疲劳监测中，类似图 5( b) 这种特征信号的出现可以为工程人员提供疲劳损伤失效预警．将疲劳实验过程中的声发射信号计数、能量及幅值进行累积求和，得到累积计数、累积能量和累积幅值随循环次数的演化规律，如图 7 所示．可以看出 10 万次循环之前，声发射累积参数缓慢稳定增长，疲劳循环次数达到 10 万次左右时，其增长速率明显增大，快速增长直至断裂．表明此时疲劳裂纹扩展过程从稳态扩展区转入失稳扩展区．在图 3 裂纹扩展速率与应力强度因子的关系图上，裂纹扩展速率呈现线性关系，无法判断疲劳裂纹是否进入快速扩展阶段，而声发射累积计数、能量和幅值等参数在 10 万周次时出现转折点，标志着裂纹进入快速扩展阶段，这一转折点明显比由线弹性断裂力学识别的转折点要提前．因此，声发射累积计数、能量和幅值可以有效识别材料疲劳裂纹扩展过程从稳态扩展进入失稳断裂阶段． 2. 3 基于声发射参数的疲劳裂纹扩展预测材料在疲劳裂纹扩展过程中，由于塑性变形、断 · 464 ·

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 dA dN = P ( ΔK) q ( 10) 式中: dC /dN 和 dA /dN 分别是声发射计数率和幅值率; B、P、l、q 是常数，由材料性质与实验条件决定．对( 8) 、( 9) 和( 10) 两边取对数进行变形可得: ( lg dE d ) N = lg D + plg ΔK ( 11) ( lg dC d ) N = lg B + llg ΔK ( 12) ( lg dA d ) N = lg P + qlg ΔK ( 13) 图 8 声发射计数率( a) 、能量率( b) 和幅值率( c) 与应力强度因子幅度的关系 Fig． 8 Ｒelations of AE count rate ( a) ，energy rate ( b) and amplitude rate ( c) to ΔK 由于应力强度因子幅度在实际测量中不易得到，因此建立裂纹扩展速率与声发射参数的关系式，联立 Paris 公式( 2) 和式( 11) 、( 12) 、( 13) 可以得到裂纹扩展速率与声发射能量率、计数率及幅值率的关系: ( lg da d ) N = m p ( lg dE d ) N + lg C － m p lg D ( 14) ( lg da d ) N = m l ( lg dC d ) N + lg C － m l lg B ( 15) ( lg da d ) N = m q ( lg dA d ) N + lg C － m q lg P ( 16) 由式( 11) ～ ( 13) 可知，声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度 ΔK 在双对数坐标系中均呈线性关系，绘出散点图并对其进行线性拟合的结果如图 8 所示．根据实验数据可得，声发射计数率、能量率、幅值率与应力强度因子幅度的具体关系为: ( lg dC d ) N = － 2. 52 + 3. 37lg ΔK ( 17) ( lg dE d ) N = － 3. 22 + 3. 66lg ΔK ( 18) ( lg dA d ) N = － 1. 24 + 2. 65lg ΔK ( 19) 裂纹扩展速率与声发射计数率、能量率和幅值率之间的关系为: ( lg da d ) N = 0. 52lg ( dC d ) N － 4. 84 ( 20) ( lg da d ) N = 0. 48lg ( dE d ) N － 4. 61 ( 21) ( lg da d ) N = 0. 70lg ( dE d ) N － 5. 43 ( 22) 式( 4) 中 m = 1. 85，式( 17) ～ ( 19) 的 p，l，q 值分别为 3. 37、3. 66 和 2. 65，小于理论值 m + 2，这是因为在实验中由于信号滤波和衰减等原因，使得其值往往会略小于理论值 m + 2［23］．根据式( 20) ～ ( 22) 计算出 316LN 试样疲劳裂纹长度随疲劳循环次数的变化情况，如图 9 所示，并 · 664 ·

张进等：基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 ·467· -一实测裂纹长度 a 6- 6 一。一实测塑纹长度 ·基于能量率的裂纹长度 ·基于计数率的裂纹长度 4 4 3 3 2 2 1 40000 80000 120000 1600X0 200000 48000 80000 120000 160000 200000 循环次数，N 循环次数，N 。实测裂纹长度 (c) 一基于幅值率的裂纹长度 4 80000 120000 160000 200000 循环次数，N 图9基于能量率(a)、计数率(b)和幅值率(c)疲劳裂纹长度的实测值和计算值对比 Fig.9 Comparison between measured crack length and calculated crack length by AE energy rate (a),count rate (b)and amplitude rate (c) 将其与直流电位法测得的数据进行比较.可以看段，可以为工程人员提供失效预警出，基于声发射计数率、能量率和幅值率计算出的裂 (2)噪声信号的幅值较小且信号持续时间较纹长度在循环次数较低时和实测的裂纹长度相差很长，信号包含的频率成分比较复杂，而裂纹扩展信号小，随着循环次数的增加，计算值要明显大于实测的是突发型信号，衰减较快，信号频率主要集中在80~ 裂纹长度.循环次数较高时计算的裂纹长度大于实 170kHz范围内.在实际疲劳监测过程中出现类似测值的原因是多方面的：疲劳裂纹表面间的摩擦会特征的信号时需要特别关注产生附加声发射信号，导致采集到的声发射参数高 (3)建立了316LN不锈钢材料声发射计数率、于实际值；直流电位法计算疲劳裂纹长度时存在误能量率和幅值率与疲劳裂纹扩展速率之间的定量关差，包括实验测量误差以及用加载频率和时间计算系式，并对疲劳裂纹长度进行定量预测.结果表明疲劳循环次数时的误差：利用声发射参数计算裂纹预测结果与实测值接近，且随着循环次数的增加，预长度时，除了声发射系统自身的系统误差外，积分运测结果偏向保守.这对工程失效预警而言具有积极算过程中本身就会产生一定的计算误差：另外，计算意义，可为材料的寿命预测提供依据. 模型不可避免地会存在一定的偏差.因此结合实验参考文献结果可以得出，用声发射技术监测316LN不锈钢的疲劳裂纹扩展的结果偏于保守，但对于工程测量而 [1]Luo Z G.Li J,Wang X.Application of AE on fatigue crack prop- agation.Manuf Technol Mach Tool,2008(10):134 言，声发射监测技术仍可用于预测疲劳裂纹扩展以 (骆志高，李举，王祥.声发射技术在疲劳裂纹检测中的应及评估材料的疲劳剩余寿命. 用.制造技术与机床，2008(10)：134) ] Xu C H,Liu L Q,Chen G M.Characteristics analysis of acoustic 3 结论 emission signals from steel specimens under tensile fracture and fa- (1)声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损 tigue crack condition.J China Unin Petrol Ed Nat Sci,2009,33 (5):95 伤进行有效评估.累积计数、累积能量、累积幅值等 (徐长航，刘立群，陈国明.钢制试件拉伸断裂及疲劳开裂声发曲线上的转折点标志着裂纹扩展进入快速扩展阶射特征分析.中国石油大学学报（自然科学版），2009,33

张进等: 基于声发射监测的 316LN 不锈钢的疲劳损伤评价图 9 基于能量率( a) 、计数率( b) 和幅值率( c) 疲劳裂纹长度的实测值和计算值对比 Fig． 9 Comparison between measured crack length and calculated crack length by AE energy rate ( a) ，count rate ( b) and amplitude rate ( c) 将其与直流电位法测得的数据进行比较．可以看出，基于声发射计数率、能量率和幅值率计算出的裂纹长度在循环次数较低时和实测的裂纹长度相差很小，随着循环次数的增加，计算值要明显大于实测的裂纹长度．循环次数较高时计算的裂纹长度大于实测值的原因是多方面的: 疲劳裂纹表面间的摩擦会产生附加声发射信号，导致采集到的声发射参数高于实际值; 直流电位法计算疲劳裂纹长度时存在误差，包括实验测量误差以及用加载频率和时间计算疲劳循环次数时的误差; 利用声发射参数计算裂纹长度时，除了声发射系统自身的系统误差外，积分运算过程中本身就会产生一定的计算误差; 另外，计算模型不可避免地会存在一定的偏差．因此结合实验结果可以得出，用声发射技术监测 316LN 不锈钢的疲劳裂纹扩展的结果偏于保守，但对于工程测量而言，声发射监测技术仍可用于预测疲劳裂纹扩展以及评估材料的疲劳剩余寿命． 3 结论 ( 1) 声发射能够对 316LN 不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估．累积计数、累积能量、累积幅值等曲线上的转折点标志着裂纹扩展进入快速扩展阶段，可以为工程人员提供失效预警． ( 2) 噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长，信号包含的频率成分比较复杂，而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，信号频率主要集中在80 ～ 170 kHz 范围内．在实际疲劳监测过程中出现类似特征的信号时需要特别关注． ( 3) 建立了 316LN 不锈钢材料声发射计数率、能量率和幅值率与疲劳裂纹扩展速率之间的定量关系式，并对疲劳裂纹长度进行定量预测．结果表明预测结果与实测值接近，且随着循环次数的增加，预测结果偏向保守．这对工程失效预警而言具有积极意义，可为材料的寿命预测提供依据．参考文献［1］ Luo Z G，Li J，Wang X． Application of AE on fatigue crack propagation． Manuf Technol Mach Tool，2008( 10) : 134 ( 骆志高，李举，王祥．声发射技术在疲劳裂纹检测中的应用．制造技术与机床，2008( 10) : 134) ［2］ Xu C H，Liu L Q，Chen G M． Characteristics analysis of acoustic emission signals from steel specimens under tensile fracture and fatigue crack condition． J China Univ Petrol Ed Nat Sci，2009，33 ( 5) : 95 ( 徐长航，刘立群，陈国明．钢制试件拉伸断裂及疲劳开裂声发射特征分析．中国石油大学学报( 自然科学版) ，2009，33 · 764 ·

·468* 工程科学学报，第40卷，第4期 (5):95) Steel Res,2003,59(6):679 B]Ennaceur C.Laksimi A,Herve C,et al.Monitoring crack growth [14]Rabiei M,Modarres M.Quantitative methods for structural health in pressure vessel steels by the acoustic emission technique and the management using in situ acoustic emission monitoring.Int Fa- method of potential difference.Int J Press Vessels Pip,2006,83 igue,2013,49:81 (3):197 [15]Gagar D,Foote P,Irving P E.Effects of loading and sample ge- 14]Zhou J.Research on Acoustic Emission Source Location and Prelim- ometry on acoustic emission generation during fatigue crack inary Study on the Crack Propagation [Dissertation].Nanning: growth:Implications for structural health monitoring.Int J Fa- Guangxi University,2006 igue,2015,81:117 (周洁.裂纹声发射源定位研究及发展趋势预估初探[学位论 [16]Keshtgar A,Modarres M.Probabilistic approach for nondestruc- 文].南宁：广西大学，2006) tive detection of fatigue crack initiation and sizing.Int Prognost Han Z Y,Luo H Y,Zhang Y B,et al.Effects of micro-structure Health Manage,2016,7:19 on fatigue crack propagation and acoustic emission behaviors in a [7]Chai M Y,Duan Q,Hou X L,et al.Fracture toughness evalua- micro-alloyed steel.Mater Sci Eng A,2013,559:534 tion of 3161N stainless steel and weld using acoustic emission [6]Li L F,Zhang Z,Shen G T.Influence of grain size on fatigue technique.ISIJ Int,2016,56(5):875 crack propagation and acoustic emission features in commercial-pu- [18]Zhang Y B,Luo H Y,Li J R,et al.An integrated processing rity zirconium.Mater Sci Eng A,2015,636:35 method for fatigue damage identification in a steel structure based ]Moorthy V,Jayakumar T,Raj B.Influence of microstructure on on acoustic emission signals.J Mater Eng Perform,2017,26 acoustic emission behavior during stage 2 fatigue crack growth in (4):1784 solution annealed,thermally aged and weld specimens of AlSl type [19]Li G H,Liu Z Y.Inspection of metal high frequency cyelic fa- 316 stainless steel.Mater Sci Eng A,1996,212(2):273 tigue behavior utilizing acoustic emission technique.China Mech [8]Chai M Y,Zhang J,Zhang Z X,et al.Acoustic emission studies Eng,2004,15(13):1205 for characterization of fatigue crack growth in 316LN stainless steel (李光海，刘正义.基于声发射技术的金属高频疲劳监测.中 and welds.Appl Acoust,2017,126:101 国机械工程，2004,15(13)：1205) 9]Chai M Y,Zhang Z X,Song Y,et al.Assessment of fatigue crack 20] Kahirdeh A,Sauerbrunn C,Yun H,et al.A parametric ap- growth in 316LN stainless steel based on acoustic emission entro proach to acoustie entropy estimation for assessment of fatigue py.Int J Fatigue,2018,109:145 damage.Int J Fatigue,2017,100:229 [10]Strantza M,Hemelrijck D V,Guillaume P,et al.Acoustic emis- 1]Wang Z J,Hu G H,Yu H R,et al.Fatigue crack growth of sion monitoring of crack propagation in additively manufactured Q345B using acoustic emission technique.I Nanchang Hangkong and conventional titanium components.Mech Res Commun, Univ Nat Sci,2016,30(4):99 2017,84:8 (王振京，胡国华，喻海荣，等.基于声发射技术的0345B疲 [1]Morton T M,Smith S,Harrington R M.Effect of loading varia- 劳裂纹扩展研究.南昌航空大学学报（自然科学版），2016， bles on the acoustic emissions of fatiguecrack growth.Exp Mech, 30(4):99) 1974,14(5):208 22]Paris P,Erdogan F.A critical analysis of crack propagation [12]Roberts T M,Talebzadeh M.Acoustic emission monitoring of fa- laws.J Basic Eng,1963,85(4):528 tigue crack propagation.J Constr Steel Res,2003,59(6):695 23]Yu J G,Ziehl P,Zarate B,et al.Prediction of fatigue crack [13]Roberts T M,Talebzadeh M.Fatigue life prediction based on growth in steel bridge components using acoustic emission. crack propagation and acoustic emission count rates.I Constr Constr Steel Res,2011,67(8):1254

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