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 ·