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 ·