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 ·