·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 ·