·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 ·