Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射研究

工程科学学报，第37卷，第12期：1588-1593,2015年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.12:1588-1593,December 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.12.009:http://journals..ustb.edu.cn Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射研究 柴孟瑜，段权四，张早校 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 摘要为了建立疲劳过程与声发射参数之间的关系，对压力容器常用钢材的典型代表—Q345R的疲劳裂纹扩展过程的 声发射信号进行详细研究.结果表明：Q345R疲劳裂纹扩展的声发射过程分为三个明显的阶段，累积计数值和累积能量值可 以很好地表征整个疲劳裂纹扩展过程：声发射参数在第2阶段到第3阶段的转折点比线弹性断裂力学定义下的要提前，表明 声发射技术对疲芳进入失稳扩展阶段更加敏感：建立了Q345R声发射计数率和能量率与疲劳裂纹扩展速率的关系，它可以 为Q345R剩余寿命的预测提供依据. 关键词低合金钢：疲劳裂纹扩展：声发射：压力容器：监测 分类号TG142.33·1 Acoustic emission study of fatigue crack propagation in Q345R CHAI Meng-yu,DUAN Quan,ZHANG Zao-xiao 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 acoustic emission signals of fatigue crack propagation in Q345R,which is the typical representative of common steel for pressure vessels,were investigated in detail to construct a relationship between fatigue and acoustic emission.The results show that there are three distinct stages of acoustic emission during fatigue crack propagation in Q345R.Cumulative count and cumula- tive energy can characterize the whole fatigue crack propagation well.The transition from the 2nd stage to the 3rd stage of acoustic e- mission advances that of linear elastic fracture mechanics,indicating that acoustic emission is more sensitive to the unstable fracture stage of fatigue crack propagation.The relations of count rate and energy rate to fatigue crack propagation rate of Q345R are estab- lished respectively for predicting the remaining life of Q345R. KEY WORDS low alloyed steel:fatigue crack propagation:acoustic emission:pressure vessels;monitoring 压力容器广泛应用于冶金、机械、石油化工、核能、量而随之发出瞬态应力波的现象.与其他常规无损检 航天等众多领域，是生产过程中不可或缺的核心设备测技术相比，声发射检测方法具有检测动态缺陷和连 之一.由于苛刻的工作条件，压力容器极易发生失效 续监测的特点，因此可用于压力容器的在线监测网 事故.根据相关统计资料，由裂纹扩展导致的失效事大量研究表明，声发射能够用于监测钢与合金的疲劳 故占压力容器失效事故的70%，其中疲劳裂纹是主要 裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹闭合等疲劳过程，并且取得 的失效形式.因此，无损检测对于压力容器的质量控 了杰出的研究成果.在这些研究中，一方面侧重 制和安全运行具有重要意义-四 于不同疲劳试验参数下的疲劳裂纹声发射监测过程， 声发射(acoustic emission,AE)是指构件材料的某 如不同应力比49,1-国和不同加载频率，另一方面侧 局部受到外力或者内力作用发生形变时快速释放能 重于不同热处理条件的材料B.0.四、焊缝与母 收稿日期：2014-08-07 基金项目：国家科技重大专项课题资助项目(2011ZX06004-009)

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期: 1588--1593，2015 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 12: 1588--1593，December 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 12． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程的声发射研究 柴孟瑜，段 权，张早校 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 为了建立疲劳过程与声发射参数之间的关系，对压力容器常用钢材的典型代表———Q345Ｒ 的疲劳裂纹扩展过程的 声发射信号进行详细研究． 结果表明: Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展的声发射过程分为三个明显的阶段，累积计数值和累积能量值可 以很好地表征整个疲劳裂纹扩展过程; 声发射参数在第 2 阶段到第 3 阶段的转折点比线弹性断裂力学定义下的要提前，表明 声发射技术对疲劳进入失稳扩展阶段更加敏感; 建立了 Q345Ｒ 声发射计数率和能量率与疲劳裂纹扩展速率的关系，它可以 为 Q345Ｒ 剩余寿命的预测提供依据． 关键词 低合金钢; 疲劳裂纹扩展; 声发射; 压力容器; 监测 分类号 TG142. 33 + 1 Acoustic emission study of fatigue crack propagation in Q345Ｒ CHAI Meng-yu，DUAN Quan ，ZHANG Zao-xiao 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 acoustic emission signals of fatigue crack propagation in Q345Ｒ，which is the typical representative of common steel for pressure vessels，were investigated in detail to construct a relationship between fatigue and acoustic emission． The results show that there are three distinct stages of acoustic emission during fatigue crack propagation in Q345Ｒ． Cumulative count and cumula￾tive energy can characterize the whole fatigue crack propagation well． The transition from the 2nd stage to the 3rd stage of acoustic e￾mission advances that of linear elastic fracture mechanics，indicating that acoustic emission is more sensitive to the unstable fracture stage of fatigue crack propagation． The relations of count rate and energy rate to fatigue crack propagation rate of Q345Ｒ are estab￾lished respectively for predicting the remaining life of Q345Ｒ． KEY WOＲDS low alloyed steel; fatigue crack propagation; acoustic emission; pressure vessels; monitoring 收稿日期: 2014--08--07 基金项目: 国家科技重大专项课题资助项目( 2011ZX06004--009) 压力容器广泛应用于冶金、机械、石油化工、核能、 航天等众多领域，是生产过程中不可或缺的核心设备 之一． 由于苛刻的工作条件，压力容器极易发生失效 事故． 根据相关统计资料，由裂纹扩展导致的失效事 故占压力容器失效事故的 70% ，其中疲劳裂纹是主要 的失效形式． 因此，无损检测对于压力容器的质量控 制和安全运行具有重要意义［1--2］． 声发射( acoustic emission，AE) 是指构件材料的某 一局部受到外力或者内力作用发生形变时快速释放能 量而随之发出瞬态应力波的现象． 与其他常规无损检 测技术相比，声发射检测方法具有检测动态缺陷和连 续监测的特点，因此可用于压力容器的在线监测［3］． 大量研究表明，声发射能够用于监测钢与合金的疲劳 裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹闭合等疲劳过程，并且取得 了杰出的研究成果［4--15］． 在这些研究中，一方面侧重 于不同疲劳试验参数下的疲劳裂纹声发射监测过程， 如不同应力比［4，9，11--13］和不同加载频率［15］，另一方面侧 重 于 不 同 热 处 理 条 件 的 材 料［5，10，12］、焊 缝 与 母

柴孟瑜等：Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射研究 ·1589· 材560的疲劳裂纹声发射监测过程.然而，多数 位置如图1所示.声发射系统的前置放大器增益设为 工作中仅建立了声发射计数与应力强度因子幅度的关 40dB,门槛值设置为45dB以抑制噪声的千扰，采样频 系，并未涉及其他声发射参数，如能量，没有将波形分 率为1MHz.由于试样与夹具之间碰撞和摩擦的信号 析法与参数分析法相结合，同时缺乏根据所建立的声 在100kHz以下，裂纹扩展的频率主要集中在100~ 发射与疲劳过程的关系对剩余寿命的预测及评估. 550kHz7,Harris和Dunegan在7075-T6铝合金和 为了进一步揭示声发射与疲劳过程的关系，本文 4140钢的疲劳裂纹扩展监测试验中，通过设置不同滤 选取压力容器常用钢材的典型代表Q345R,对低合金 波频率参数，发现带通滤波器设置在0.1~0.3MHz间 钢Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射信号进行详细 所探测到的数据最全面，因此本试验中模拟滤波器下 研究，建立了裂纹扩展速率、声发射计数、声发射能量 限设置为100kHz,上限设置为400kHz.峰值定义时 与应力强度因子幅度之间的关系，为压力容器的声发 间、撞击定义时间和撞击闭锁时间分别设置为300， 射在线监测及疲劳损伤预测提供依据. 600和1000μs. 1试验材料及过程 2试验结果和讨论 1.1试验材料 2.1疲劳裂纹扩展速率 试样材料为压力容器常用板材Q345R,其化学成 Q345R疲劳裂纹扩展曲线如图2所示.从图中可 分如表1所示.疲劳裂纹扩展试验采用标准紧凑拉伸 以看出，在90000次循环之前，裂纹扩展速率增长较 试样(compact tension,CT),采用线切割的方式预 慢，在90000次循环之后，疲劳过程进入裂纹快速扩展 制长度为5mm的裂纹，试样尺寸及形状如图1所示 阶段，裂纹扩展速率呈现快速增长状态.关于裂纹扩 展的分析是以疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度 表1低合金钢Q345R的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Q345R % 因子幅度△K的关系为基础的，在双对数坐标下共分 S 为三个区间，分别为近门槛扩展区、稳态扩展区、快速 Mn ≤0.200.200.551.20-1.60≤0.035≤0.030 扩展区或失稳扩展断裂区阿 26 241 传感器 22 p17.5 20 18 16 14 6 4 传感器 0 2 20 10 20000400006000080000100000120000140000 循环次数 87.5 图2Q345R疲劳裂纹扩展曲线 图1紧凑拉伸试样（单位：mm) Fig.2 Fatigue crack propagation curve of Q345R Fig.1 Compact tension specimen (unit:mm) 稳态扩展区是裂纹扩展的主要部分，是疲劳过程 1.2试验设备及监测过程 中的主要研究对象.疲劳过程中疲劳裂纹稳态扩展速 试验采用美国MTS公司生产的MTS810电液伺服 率可用Paris--Erdogan方程来表示： 材料试验机系统，试验所设置的载荷频率为15Hz,载 =c(K)". da (1) 荷区间为1.1~11kN,应力比为0.1，采用长筒读数显 式中，a表示裂纹长度，N为疲劳循环的次数，△K为应 微镜记录裂纹扩展的长度，试验在常温下进行.采用 力强度因子幅度，c和m是随材料性质和试验条件而 美国物理声学公司(PAC)生产的24通道SAMOS声发 定的常数.通过计算得到在本文试验条件下Q345R试 射检测系统监测疲劳裂纹扩展过程中的声发射信号， 样c=1.052×10-5,m=3.498.式(1)也可以表示为 两个窄带谐振式声发射传感器DP15I一AST(频率范围 Ig (dy)=gc+mlg k. (2) 为50~200kHz,共响频率为125kHz)对称放置在预制 裂纹的两侧，试样与传感器之间用凡士林耦合，传感器 紧凑拉伸试样的应力强度因子幅度可由式(3)计

柴孟瑜等: Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程的声发射研究 材［5--6，8，10--12］的疲劳裂纹声发射监测过程． 然而，多数 工作中仅建立了声发射计数与应力强度因子幅度的关 系，并未涉及其他声发射参数，如能量，没有将波形分 析法与参数分析法相结合，同时缺乏根据所建立的声 发射与疲劳过程的关系对剩余寿命的预测及评估． 为了进一步揭示声发射与疲劳过程的关系，本文 选取压力容器常用钢材的典型代表 Q345Ｒ，对低合金 钢 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程的声发射信号进行详细 研究，建立了裂纹扩展速率、声发射计数、声发射能量 与应力强度因子幅度之间的关系，为压力容器的声发 射在线监测及疲劳损伤预测提供依据． 1 试验材料及过程 1. 1 试验材料 试样材料为压力容器常用板材 Q345Ｒ，其化学成 分如表 1 所示． 疲劳裂纹扩展试验采用标准紧凑拉伸 试样( compact tension，CT) ［16］，采用线切割的方式预 制长度为 5 mm 的裂纹，试样尺寸及形状如图 1 所示． 表 1 低合金钢 Q345Ｒ 的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of Q345Ｒ % C Si Mn P S ≤0. 20 0. 20 ～ 0. 55 1. 20 ～ 1. 60 ≤0. 035 ≤0. 030 图 1 紧凑拉伸试样( 单位: mm) Fig． 1 Compact tension specimen ( unit: mm) 1. 2 试验设备及监测过程 试验采用美国 MTS 公司生产的 MTS810 电液伺服 材料试验机系统，试验所设置的载荷频率为 15 Hz，载 荷区间为 1. 1 ～ 11 kN，应力比为 0. 1，采用长筒读数显 微镜记录裂纹扩展的长度，试验在常温下进行． 采用 美国物理声学公司( PAC) 生产的 24 通道 SAMOS 声发 射检测系统监测疲劳裂纹扩展过程中的声发射信号， 两个窄带谐振式声发射传感器 DP15I--AST( 频率范围 为 50 ～ 200 kHz，共响频率为 125 kHz) 对称放置在预制 裂纹的两侧，试样与传感器之间用凡士林耦合，传感器 位置如图 1 所示． 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 以抑制噪声的干扰，采样频 率为 1 MHz． 由于试样与夹具之间碰撞和摩擦的信号 在 100 kHz 以下，裂纹扩展的频率主要集中在 100 ～ 550 kHz［17］，Harris 和 Dunegan［18］在 7075--T6 铝合金和 4140 钢的疲劳裂纹扩展监测试验中，通过设置不同滤 波频率参数，发现带通滤波器设置在 0. 1 ～ 0. 3 MHz 间 所探测到的数据最全面，因此本试验中模拟滤波器下 限设置为 100 kHz，上限设置为 400 kHz． 峰值定义时 间、撞击定义时间和撞击闭锁时间分别设置为 300， 600 和 1000 μs． 2 试验结果和讨论 2. 1 疲劳裂纹扩展速率 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展曲线如图 2 所示． 从图中可 以看出，在 90000 次循环之前，裂纹扩展速率增长较 慢，在 90000 次循环之后，疲劳过程进入裂纹快速扩展 阶段，裂纹扩展速率呈现快速增长状态． 关于裂纹扩 展的分析是以疲劳裂纹扩展速率 da / dN 和应力强度 因子幅度 ΔK 的关系为基础的，在双对数坐标下共分 为三个区间，分别为近门槛扩展区、稳态扩展区、快速 扩展区或失稳扩展断裂区［19］． 图 2 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展曲线 Fig． 2 Fatigue crack propagation curve of Q345Ｒ 稳态扩展区是裂纹扩展的主要部分，是疲劳过程 中的主要研究对象． 疲劳过程中疲劳裂纹稳态扩展速 率可用 Paris--Erdogan 方程来表示: da dN = c( ΔK) m ． ( 1) 式中，a 表示裂纹长度，N 为疲劳循环的次数，ΔK 为应 力强度因子幅度，c 和 m 是随材料性质和试验条件而 定的常数． 通过计算得到在本文试验条件下 Q345Ｒ 试 样 c = 1. 052 × 10 － 5，m = 3. 498． 式( 1) 也可以表示为 ( lg da d ) N = lg c + mlg ΔK． ( 2) 紧凑拉伸 试 样 的 应 力 强 度 因 子 幅 度 可 由 式 ( 3 ) 计 · 9851 ·

·1590. 工程科学学报，第37卷，第12期 算： 长过程的三个阶段，分别对应疲劳裂纹扩展的近门槛 得0w4-Bw 扩展区、稳态扩展区和失稳断裂区.Q345R疲劳裂纹 扩展过程典型波形图和由快速傅里叶变换得到的频谱 14.72a2-5.6a). (3) 图如图5所示.从图中可明显看出，信号主要为突发 式中，△P为施加的载荷幅度，t和W分别为试样的厚 型信号，信号频率主要集中在100~180kHz,且信号的 度和宽度，=b/W,b为裂纹长度 幅值主要分布在45~65dB,这与文献56]得到的信 通过计算得到的应力强度因子幅度△K与疲劳裂 号特征相似.同时，具有这样特征的信号可看作裂纹 纹扩展速率da/dN的关系如图3所示.从图中拟合直 扩展信号B,则 线的线性关系可明显看出，试验得到的数据能很好地 为了更深入理解疲劳裂纹扩展过程与声发射信号 符合Paris--Erdogan方程. 特性的关系，声发射源的探究就显得特别重要.在声 发射第1阶段，普遍认为疲劳裂纹萌生是相应的声发 10 射源.因为在疲劳试验开始后，疲劳裂纹源的形成和 预制裂纹尖端的塑性变形都会产生非常多的声发射信 号，这使得计数值和能量值在第1阶段快速增加5- 在第2和第3阶段，声发射源主要为疲劳裂纹扩展，声 10 发射信号随裂纹扩展继续增加，直至断裂.文献0] 指出，对于韧性和脆性材料，声发射源分别为裂纹尖端 循环塑性行为和裂纹尖端的微断裂.文献8]认为信 号产生的主要机理：前期为大量微裂纹的萌生；中期为 10 20 30 40 506070 裂纹尖端位错的滑移、堆积及孔洞形核和长大：后期为 △MPa·m 韧窝之间的连通、聚合.文献9]认为第2阶段的声发 图3Q345R疲劳裂纹扩展过程da/dN和△K的关系 射源主要为裂纹尖端塑性区域的位错运动或塑性区域 Fig.3 Relationship between crack growth rate and AK for Q345R 边缘新的屈服行为.Han等因指出裂纹扩展第2和第 2.2疲劳裂纹扩展过程的声发射特性与声发射源 3阶段的声发射特性不仅仅归因于裂纹扩展速率的快 Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射特性如图4所 慢，而且与断裂模式的转变有关，认为第2阶段的声发 示.从图中可明显看出，累积计数值和累积能量值基 射源主要为裂纹尖端前塑性区域的塑性行为，而第3 本都呈现出三个声发射阶段，这与前人所描述的现象 阶段的声发射源主要为微孔与微裂纹之间的韧性剪 一致5.在第1阶段，试验开始后短时间内计数值和 切.需要指出的是，对于不同性质的材料，不同热处理 能量值快速增加.然而，在第2阶段中，计数值和能量 工艺及焊接工艺的试样，在裂纹扩展过程中声发射源 值的增长率有所降低，基本保持线性增长，说明声发射 可能会有所不同，因此需要做进一步的研究来探究不 源的活度和强度较低，这一阶段占整个疲劳寿命的 同性质、不同热处理及焊接工艺下材料的疲劳裂纹扩 65%.在第3阶段，计数值和能量值再次快速增长直 展过程中的声发射源机制. 至试样断裂.声发射累积计数值和累积能量值这一增 在线弹性断裂力学的定义中，从稳态扩展区到失 50000 450000 10000r 100000 a ) 45000 400000 40000 350000 &00 80000 35000 阶段1 阶段2 阶段3 300000签 ·阶段1 阶段2 阶段3 30000 (6000 60000 250000 盟 25000 200000 200 400 40000 15000 150000 10000 100000 2000 20000 5000 150000 40000 100000 120000 40000 100000 120000 循环次数 循环次数 图4声发射计数和累积计数值()以及声发射能量和累积能量值(b)与疲劳循环次数的关系 Fig.4 Relations of acoustic emission count and cumulative acoustic emission count (a)as well as acoustic emission energy and cumulative acoustic emission energy (b)to fatigue cyeles

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 算［16］: ΔK = ΔP( 2 + α) tW 1 2 ( 1 － α) 3 2 ( 0. 886 + 4. 64α － 13. 32α2 + 14. 72α2 － 5. 6α4 ) ． ( 3) 式中，ΔP 为施加的载荷幅度，t 和 W 分别为试样的厚 度和宽度，α = b /W，b 为裂纹长度． 通过计算得到的应力强度因子幅度 ΔK 与疲劳裂 纹扩展速率 da /dN 的关系如图 3 所示． 从图中拟合直 线的线性关系可明显看出，试验得到的数据能很好地 符合 Paris--Erdogan 方程． 图 3 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程 da / dN 和 ΔK 的关系 Fig． 3 Ｒelationship between crack growth rate and ΔK for Q345Ｒ 图 4 声发射计数和累积计数值( a) 以及声发射能量和累积能量值( b) 与疲劳循环次数的关系 Fig． 4 Ｒelations of acoustic emission count and cumulative acoustic emission count ( a) as well as acoustic emission energy and cumulative acoustic emission energy ( b) to fatigue cycles 2. 2 疲劳裂纹扩展过程的声发射特性与声发射源 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程的声发射特性如图 4 所 示． 从图中可明显看出，累积计数值和累积能量值基 本都呈现出三个声发射阶段，这与前人所描述的现象 一致［5--8］． 在第 1 阶段，试验开始后短时间内计数值和 能量值快速增加． 然而，在第 2 阶段中，计数值和能量 值的增长率有所降低，基本保持线性增长，说明声发射 源的活度和强度较低，这一阶段占整个疲劳寿命的 65% ． 在第 3 阶段，计数值和能量值再次快速增长直 至试样断裂． 声发射累积计数值和累积能量值这一增 长过程的三个阶段，分别对应疲劳裂纹扩展的近门槛 扩展区、稳态扩展区和失稳断裂区． Q345Ｒ 疲劳裂纹 扩展过程典型波形图和由快速傅里叶变换得到的频谱 图如图 5 所示． 从图中可明显看出，信号主要为突发 型信号，信号频率主要集中在 100 ～ 180 kHz，且信号的 幅值主要分布在 45 ～ 65 dB，这与文献［5--6］得到的信 号特征相似． 同时，具有这样特征的信号可看作裂纹 扩展信号［5，8］． 为了更深入理解疲劳裂纹扩展过程与声发射信号 特性的关系，声发射源的探究就显得特别重要． 在声 发射第 1 阶段，普遍认为疲劳裂纹萌生是相应的声发 射源． 因为在疲劳试验开始后，疲劳裂纹源的形成和 预制裂纹尖端的塑性变形都会产生非常多的声发射信 号，这使得计数值和能量值在第 1 阶段快速增加［5--7］． 在第 2 和第 3 阶段，声发射源主要为疲劳裂纹扩展，声 发射信号随裂纹扩展继续增加，直至断裂． 文献［10］ 指出，对于韧性和脆性材料，声发射源分别为裂纹尖端 循环塑性行为和裂纹尖端的微断裂． 文献［8］认为信 号产生的主要机理: 前期为大量微裂纹的萌生; 中期为 裂纹尖端位错的滑移、堆积及孔洞形核和长大; 后期为 韧窝之间的连通、聚合． 文献［9］认为第 2 阶段的声发 射源主要为裂纹尖端塑性区域的位错运动或塑性区域 边缘新的屈服行为． Han 等［6］指出裂纹扩展第 2 和第 3 阶段的声发射特性不仅仅归因于裂纹扩展速率的快 慢，而且与断裂模式的转变有关，认为第 2 阶段的声发 射源主要为裂纹尖端前塑性区域的塑性行为，而第 3 阶段的声发射源主要为微孔与微裂纹之间的韧性剪 切． 需要指出的是，对于不同性质的材料，不同热处理 工艺及焊接工艺的试样，在裂纹扩展过程中声发射源 可能会有所不同，因此需要做进一步的研究来探究不 同性质、不同热处理及焊接工艺下材料的疲劳裂纹扩 展过程中的声发射源机制． 在线弹性断裂力学的定义中，从稳态扩展区到失 · 0951 ·

柴孟瑜等：Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射研究 ·1591· 0.04 1.0p (a) 0.03 0.8 0.02 0.01 0.6 -0.01 0.4 -0.02 02 -0.03 -0.04 200 400 600 800 1000 0. 0.2 03 0.4 0 时间μs 率/MHz 图5Q345R疲劳裂纹扩展过程典型波形(a)和频谱(b) Fig.5 Typical acoustic emission waveform (a)and frequency spectrum (b)of Q345R during fatigue test 稳扩展区，裂纹扩展斜率会发生明显变化，这一变化被 7.721×105,D=1.166×10-6,p=3.025,r=3.817. 看作疲劳裂纹扩展过程从稳态扩展区转向失稳扩展区 式(4)和式(5)也可以表示为 的标志，这一转变时的应力强度因子幅度被记作△K· =lgB+plg△K, (6) 然而，如图6所示，当疲劳过程进入第3阶段时，△K和 () da/dN在双对数坐标系下线性关系的斜率并没有明显 (7) 的改变，当△K,=45MPam2时从累积计数值的增长 s(长)=gD+gAK 中能清楚看到疲劳裂纹扩展过程可能已进入失稳扩展 研究表明，对于钢和铝合金试样，试验所得到的 区.这表明声发射在第2及第3阶段的转折点比线弹 dC/dN与△K以及dE/dN与△K在双对数坐标系中有 性断裂力学定义的转折点更提前，声发射监测技术能 一定的线性关系61-国.图7为Q345R疲劳裂纹扩 够提前预测疲劳裂纹扩展过程的失稳断裂阶段. 展过程声发射计数率与△K以及声发射能量率与△K 在双对数坐标系中的关系.从图中可以看到，与图3 400000 相比，数据较为分散，声发射参数与△K的关系并不呈 350000 10 现很明显的线性关系，而是一种近似的线性关系，与其 300000 25w0至 他作者得到的试验结果，s,四相似.这主要是因为声 -/OP) 发射信号中存在不可避免的噪音，造成其本身具有一 2000006 10 定的分散性圆，同时传感器与试样之间的耦合情况、滤 阶段2 阶段3 波参数圆和预制裂纹过程中残余应力网都可能导致 100000 阶段1 声发射数据的分散性.虽然一些数据点与通过最小二 5000 乘法拟合出来的直线相离较远，但还是存在一种近似 10 20 30 40 50 6078 的线性关系.将式(6)和式(7)分别代入式(2)中，得 △K/MPam 到da/dW与dC/dW以及da/dN与dE/dW的关系，即 图6声发射与线弹性断裂力学第2、3阶段转折点的对比 Fig.6 Comparison of transitions from stage 2 to stage 3 between line- e(崇)=（长）+gc严g,( 8) ar elastic fracture mechanics and acoustic emission 2.3声发射特性与疲劳裂纹扩展速率 (崇)-兴（祟）+gc-sn (9) 声发射参数与疲劳裂纹扩展速率的关系可用与 式(8)和式(9)可用图8表示，可看出两条直线斜 Paris--Erdogan方程相似的公式来表示： 率相近.根据式(8)和式(9)计算出Q345R试样疲劳 裂纹扩展长度随疲劳循环次数的变化情况，如图9所 a=B (K) dc (4) 示.从图中可明显看出，由声发射计数和能量计算出 =D (AK). dE 来的裂纹长度比实测值要高，特别是裂纹进入快速扩 (5) 展阶段，裂纹计算值要比实测值大5~8mm.这主要是 式中，dC/dN是声发射计数率，dE/dN是声发射能量 因为疲劳裂纹的闭合以及裂纹面间的摩擦会产生声发 率，B、D、P和r是随材料性质和试验条件而定的常数. 射信号，导致计数和能量值的增加，特别是在裂纹快速 通过计算得到在本文试验条件下Q345R试样B= 扩展阶段，这一现象更加明显.由此可见，用声发射参

柴孟瑜等: Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程的声发射研究 图 5 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程典型波形( a) 和频谱( b) Fig． 5 Typical acoustic emission waveform ( a) and frequency spectrum ( b) of Q345Ｒ during fatigue test 稳扩展区，裂纹扩展斜率会发生明显变化，这一变化被 看作疲劳裂纹扩展过程从稳态扩展区转向失稳扩展区 的标志，这一转变时的应力强度因子幅度被记作 ΔKT ． 然而，如图 6 所示，当疲劳过程进入第 3 阶段时，ΔK 和 da / dN 在双对数坐标系下线性关系的斜率并没有明显 的改变，当 ΔKT = 45 MPa·m1 /2时从累积计数值的增长 中能清楚看到疲劳裂纹扩展过程可能已进入失稳扩展 区． 这表明声发射在第 2 及第 3 阶段的转折点比线弹 性断裂力学定义的转折点更提前，声发射监测技术能 够提前预测疲劳裂纹扩展过程的失稳断裂阶段． 图 6 声发射与线弹性断裂力学第 2、3 阶段转折点的对比 Fig． 6 Comparison of transitions from stage 2 to stage 3 between line￾ar elastic fracture mechanics and acoustic emission 2. 3 声发射特性与疲劳裂纹扩展速率 声发射参数与疲劳裂纹扩展速率的关系可用与 Paris--Erdogan 方程相似的公式来表示: dC dN = B ( ΔK) p ， ( 4) dE dN = D ( ΔK) r ． ( 5) 式中，dC /dN 是声发射计数率，dE /dN 是声发射能量 率，B、D、p 和 r 是随材料性质和试验条件而定的常数． 通过计算 得 到 在 本 文 试 验 条 件 下 Q345Ｒ 试 样 B = 7. 721 × 10 － 5，D = 1. 166 × 10 － 6，p = 3. 025，r = 3. 817． 式( 4) 和式( 5) 也可以表示为 ( lg dC d ) N = lg B + plg ΔK， ( 6) ( lg dE d ) N = lg D + rlg ΔK． ( 7) 研究表明，对于钢和铝合金试样，试验所得到的 dC /dN 与 ΔK 以及 dE /dN 与 ΔK 在双对数坐标系中有 一定的线性关系［4--6，11--13］． 图 7 为 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩 展过程声发射计数率与 ΔK 以及声发射能量率与 ΔK 在双对数坐标系中的关系． 从图中可以看到，与图 3 相比，数据较为分散，声发射参数与 ΔK 的关系并不呈 现很明显的线性关系，而是一种近似的线性关系，与其 他作者得到的试验结果［4，8，12］相似． 这主要是因为声 发射信号中存在不可避免的噪音，造成其本身具有一 定的分散性［8］，同时传感器与试样之间的耦合情况、滤 波参数［8］和预制裂纹过程中残余应力［12］都可能导致 声发射数据的分散性． 虽然一些数据点与通过最小二 乘法拟合出来的直线相离较远，但还是存在一种近似 的线性关系． 将式( 6) 和式( 7) 分别代入式( 2) 中，得 到 da /dN 与 dC /dN 以及 da /dN 与 dE /dN 的关系，即 ( lg da d ) N = m p ( lg dC d ) N + lg c － m p lg B， ( 8) ( lg da d ) N = m r ( lg dE d ) N + lg c － m r lg D． ( 9) 式( 8) 和式( 9) 可用图 8 表示，可看出两条直线斜 率相近． 根据式( 8) 和式( 9) 计算出 Q345Ｒ 试样疲劳 裂纹扩展长度随疲劳循环次数的变化情况，如图 9 所 示． 从图中可明显看出，由声发射计数和能量计算出 来的裂纹长度比实测值要高，特别是裂纹进入快速扩 展阶段，裂纹计算值要比实测值大 5 ～ 8 mm． 这主要是 因为疲劳裂纹的闭合以及裂纹面间的摩擦会产生声发 射信号，导致计数和能量值的增加，特别是在裂纹快速 扩展阶段，这一现象更加明显． 由此可见，用声发射参 · 1951 ·

·1592· 工程科学学报，第37卷，第12期 0.5 0 -0.5 ◆ 13 1.4 1.5 1.6 1.7 1.3 1.4 1.5 1.6 △K/(MPa-m-吗 △K/MPa·m-13 图7Q345R疲劳裂纹扩展过程声发射计数率(a)和声发射能量率(b)与△K的关系 Fig.7 Relations of acoustic emission count rate (a)and acoustic emission energy rate (b)to AK for Q345R 数计算的疲劳裂纹长度，计算结果偏于保守，但对于工 程测量而言，声发射监测技术是预测构件疲劳裂纹和 3结论 剩余寿命的有效方法 (1)Q345R疲劳裂纹扩展的声发射过程分为三个 1.6m 明显的阶段，分别对应疲劳裂纹扩展的近门槛扩展区、 --da/dN-dC/dN 1.2 da/dN-dE/dN 稳态扩展区和失稳断裂区.累积计数值和累积能量值 0.8 可以很好地表征整个疲劳裂纹扩展过程 (2)声发射参数在第2阶段到第3阶段的转折点 0.4 NP/DE 比线弹性断裂力学定义下的要提前，这表明声发射技 0 术对疲劳进入失稳扩展阶段更加敏感. (3)建立了低合金钢Q345R声发射计数率和能 0.4 量率与疲劳裂纹扩展速率的关系，可以为Q345R剩余 0.8 寿命的预测提供依据 -12 08 04 0 0.4 0.8 dC/dN.dE/dN 参考文献 图8da/dW与dC/dW以及da/dW与dE/dW的关系 [Smith T A,Warwick R G.A survey of defects in pressure vessel Fig.8 da/dN rs.dC/dN and da/dN rs.dE/dN built to high standard of construction.Int I Pressure Vessels Piping,1974,2(4):283 1 Shen G T,Zhang W L.A review of nondestructive testing tech- 32 0 一一计数计算的裂纹 niques for pressure vessels.Nondestr Test.2004,26(1):37 28 ·一能量计算的裂纹 (沈功田，张万岭.压力容器无损检测技术综述.无损检测， ■实测裂纹 24 2004,26(1):37) 2 [3] Shen GT,Li JH.Nondestructive inspection of pressure vessels: 20 g18 acoustic emission technique.Nondestr Test,2004,26(9):457 16 (沈功田，李金海.压力容器无损检测：声发射检测技术。无 4 12 损检测，2004,26(9)：457) 10 [4] Roberts T,Talebzadeh M.Acoustic emission monitoring of fatigue 8 crack propagation.J Constr Steel Res,2003,59(6):695 特接和 [5] Han Z Y,Luo H Y,Zhang Y B,et al.Effects of micro-structure 00 on fatigue crack propagation and acoustic emission behaviors in a 20000400006000080000100000120000140000 micro-alloyed steel.Mater Sci Eng A,2013,559:534 循环次数 [6]Han Z Y,Luo H Y,Cao J W,et al.Acoustic emission during fa- 图90345R疲劳裂纹扩展长度的计算值与实测值对比 tigue crack propagation in a micro-alloyed steel and welds.Mater Fig.9 Comparison between calculated crack length by acoustic emis- Sei Eng A,2011,528(2526):7751 sion and measured crack length 7]Kohn D,Ducheyne P,Awerbuch P.Acoustic emission during

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 图 7 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程声发射计数率( a) 和声发射能量率( b) 与 ΔK 的关系 Fig． 7 Ｒelations of acoustic emission count rate ( a) and acoustic emission energy rate ( b) to ΔK for Q345Ｒ 数计算的疲劳裂纹长度，计算结果偏于保守，但对于工 程测量而言，声发射监测技术是预测构件疲劳裂纹和 剩余寿命的有效方法［14］． 图 8 da / dN 与 dC/ dN 以及 da /dN 与 dE/dN 的关系 Fig． 8 da / dN vs． dC/ dN and da / dN vs． dE/ dN 图 9 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展长度的计算值与实测值对比 Fig． 9 Comparison between calculated crack length by acoustic emis￾sion and measured crack length 3 结论 ( 1) Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展的声发射过程分为三个 明显的阶段，分别对应疲劳裂纹扩展的近门槛扩展区、 稳态扩展区和失稳断裂区． 累积计数值和累积能量值 可以很好地表征整个疲劳裂纹扩展过程． ( 2) 声发射参数在第 2 阶段到第 3 阶段的转折点 比线弹性断裂力学定义下的要提前，这表明声发射技 术对疲劳进入失稳扩展阶段更加敏感． ( 3) 建立了低合金钢 Q345Ｒ 声发射计数率和能 量率与疲劳裂纹扩展速率的关系，可以为 Q345Ｒ 剩余 寿命的预测提供依据． 参 考 文 献 ［1］ Smith T A，Warwick Ｒ G． A survey of defects in pressure vessel built to high standard of construction． Int J Pressure Vessels Piping，1974，2( 4) : 283 ［2］ Shen G T，Zhang W L． A review of nondestructive testing tech￾niques for pressure vessels． Nondestr Test，2004，26( 1) : 37 ( 沈功田，张万岭． 压力容器无损检测技术综述． 无损检测， 2004，26( 1) : 37) ［3］ Shen G T，Li J H． Nondestructive inspection of pressure vessels: acoustic emission technique． Nondestr Test，2004，26( 9) : 457 ( 沈功田，李金海． 压力容器无损检测: 声发射检测技术． 无 损检测，2004，26( 9) : 457) ［4］ Ｒoberts T，Talebzadeh M． Acoustic emission monitoring of fatigue crack propagation． J Constr Steel Ｒes，2003，59( 6) : 695 ［5］ Han Z Y，Luo H Y，Zhang Y B，et al． Effects of micro-structure on fatigue crack propagation and acoustic emission behaviors in a micro-alloyed steel． Mater Sci Eng A，2013，559: 534 ［6］ Han Z Y，Luo H Y，Cao J W，et al． Acoustic emission during fa￾tigue crack propagation in a micro-alloyed steel and welds． Mater Sci Eng A，2011，528( 25-26) : 7751 ［7］ Kohn D，Ducheyne P，Awerbuch P． Acoustic emission during · 2951 ·

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