·1590. 工程科学学报，第37卷，第12期 算： 长过程的三个阶段，分别对应疲劳裂纹扩展的近门槛 得0w4-Bw 扩展区、稳态扩展区和失稳断裂区.Q345R疲劳裂纹 扩展过程典型波形图和由快速傅里叶变换得到的频谱 14.72a2-5.6a). (3) 图如图5所示.从图中可明显看出，信号主要为突发 式中，△P为施加的载荷幅度，t和W分别为试样的厚 型信号，信号频率主要集中在100~180kHz,且信号的 度和宽度，=b/W,b为裂纹长度 幅值主要分布在45~65dB,这与文献56]得到的信 通过计算得到的应力强度因子幅度△K与疲劳裂 号特征相似.同时，具有这样特征的信号可看作裂纹 纹扩展速率da/dN的关系如图3所示.从图中拟合直 扩展信号B,则 线的线性关系可明显看出，试验得到的数据能很好地 为了更深入理解疲劳裂纹扩展过程与声发射信号 符合Paris--Erdogan方程. 特性的关系，声发射源的探究就显得特别重要.在声 发射第1阶段，普遍认为疲劳裂纹萌生是相应的声发 10 射源.因为在疲劳试验开始后，疲劳裂纹源的形成和 预制裂纹尖端的塑性变形都会产生非常多的声发射信 号，这使得计数值和能量值在第1阶段快速增加5- 在第2和第3阶段，声发射源主要为疲劳裂纹扩展，声 10 发射信号随裂纹扩展继续增加，直至断裂.文献0] 指出，对于韧性和脆性材料，声发射源分别为裂纹尖端 循环塑性行为和裂纹尖端的微断裂.文献8]认为信 号产生的主要机理：前期为大量微裂纹的萌生；中期为 10 20 30 40 506070 裂纹尖端位错的滑移、堆积及孔洞形核和长大：后期为 △MPa·m 韧窝之间的连通、聚合.文献9]认为第2阶段的声发 图3Q345R疲劳裂纹扩展过程da/dN和△K的关系 射源主要为裂纹尖端塑性区域的位错运动或塑性区域 Fig.3 Relationship between crack growth rate and AK for Q345R 边缘新的屈服行为.Han等因指出裂纹扩展第2和第 2.2疲劳裂纹扩展过程的声发射特性与声发射源 3阶段的声发射特性不仅仅归因于裂纹扩展速率的快 Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射特性如图4所 慢，而且与断裂模式的转变有关，认为第2阶段的声发 示.从图中可明显看出，累积计数值和累积能量值基 射源主要为裂纹尖端前塑性区域的塑性行为，而第3 本都呈现出三个声发射阶段，这与前人所描述的现象 阶段的声发射源主要为微孔与微裂纹之间的韧性剪 一致5.在第1阶段，试验开始后短时间内计数值和 切.需要指出的是，对于不同性质的材料，不同热处理 能量值快速增加.然而，在第2阶段中，计数值和能量 工艺及焊接工艺的试样，在裂纹扩展过程中声发射源 值的增长率有所降低，基本保持线性增长，说明声发射 可能会有所不同，因此需要做进一步的研究来探究不 源的活度和强度较低，这一阶段占整个疲劳寿命的 同性质、不同热处理及焊接工艺下材料的疲劳裂纹扩 65%.在第3阶段，计数值和能量值再次快速增长直 展过程中的声发射源机制. 至试样断裂.声发射累积计数值和累积能量值这一增 在线弹性断裂力学的定义中，从稳态扩展区到失 50000 450000 10000r 100000 a ) 45000 400000 40000 350000 &00 80000 35000 阶段1 阶段2 阶段3 300000签 ·阶段1 阶段2 阶段3 30000 (6000 60000 250000 盟 25000 200000 200 400 40000 15000 150000 10000 100000 2000 20000 5000 150000 40000 100000 120000 40000 100000 120000 循环次数 循环次数 图4声发射计数和累积计数值()以及声发射能量和累积能量值(b)与疲劳循环次数的关系 Fig.4 Relations of acoustic emission count and cumulative acoustic emission count (a)as well as acoustic emission energy and cumulative acoustic emission energy (b)to fatigue cyeles工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 算［16］: ΔK = ΔP( 2 + α) tW 1 2 ( 1 － α) 3 2 ( 0. 886 + 4. 64α － 13. 32α2 + 14. 72α2 － 5. 6α4 ) ． ( 3) 式中，ΔP 为施加的载荷幅度，t 和 W 分别为试样的厚 度和宽度，α = b /W，b 为裂纹长度． 通过计算得到的应力强度因子幅度 ΔK 与疲劳裂 纹扩展速率 da /dN 的关系如图 3 所示． 从图中拟合直 线的线性关系可明显看出，试验得到的数据能很好地 符合 Paris--Erdogan 方程． 图 3 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程 da / dN 和 ΔK 的关系 Fig． 3 Ｒelationship between crack growth rate and ΔK for Q345Ｒ 图 4 声发射计数和累积计数值( a) 以及声发射能量和累积能量值( b) 与疲劳循环次数的关系 Fig． 4 Ｒelations of acoustic emission count and cumulative acoustic emission count ( a) as well as acoustic emission energy and cumulative acoustic emission energy ( b) to fatigue cycles 2. 2 疲劳裂纹扩展过程的声发射特性与声发射源 Q345Ｒ 疲劳裂纹扩展过程的声发射特性如图 4 所 示． 从图中可明显看出，累积计数值和累积能量值基 本都呈现出三个声发射阶段，这与前人所描述的现象 一致［5--8］． 在第 1 阶段，试验开始后短时间内计数值和 能量值快速增加． 然而，在第 2 阶段中，计数值和能量 值的增长率有所降低，基本保持线性增长，说明声发射 源的活度和强度较低，这一阶段占整个疲劳寿命的 65% ． 在第 3 阶段，计数值和能量值再次快速增长直 至试样断裂． 声发射累积计数值和累积能量值这一增 长过程的三个阶段，分别对应疲劳裂纹扩展的近门槛 扩展区、稳态扩展区和失稳断裂区． Q345Ｒ 疲劳裂纹 扩展过程典型波形图和由快速傅里叶变换得到的频谱 图如图 5 所示． 从图中可明显看出，信号主要为突发 型信号，信号频率主要集中在 100 ～ 180 kHz，且信号的 幅值主要分布在 45 ～ 65 dB，这与文献［5--6］得到的信 号特征相似． 同时，具有这样特征的信号可看作裂纹 扩展信号［5，8］． 为了更深入理解疲劳裂纹扩展过程与声发射信号 特性的关系，声发射源的探究就显得特别重要． 在声 发射第 1 阶段，普遍认为疲劳裂纹萌生是相应的声发 射源． 因为在疲劳试验开始后，疲劳裂纹源的形成和 预制裂纹尖端的塑性变形都会产生非常多的声发射信 号，这使得计数值和能量值在第 1 阶段快速增加［5--7］． 在第 2 和第 3 阶段，声发射源主要为疲劳裂纹扩展，声 发射信号随裂纹扩展继续增加，直至断裂． 文献［10］ 指出，对于韧性和脆性材料，声发射源分别为裂纹尖端 循环塑性行为和裂纹尖端的微断裂． 文献［8］认为信 号产生的主要机理: 前期为大量微裂纹的萌生; 中期为 裂纹尖端位错的滑移、堆积及孔洞形核和长大; 后期为 韧窝之间的连通、聚合． 文献［9］认为第 2 阶段的声发 射源主要为裂纹尖端塑性区域的位错运动或塑性区域 边缘新的屈服行为． Han 等［6］指出裂纹扩展第 2 和第 3 阶段的声发射特性不仅仅归因于裂纹扩展速率的快 慢，而且与断裂模式的转变有关，认为第 2 阶段的声发 射源主要为裂纹尖端前塑性区域的塑性行为，而第 3 阶段的声发射源主要为微孔与微裂纹之间的韧性剪 切． 需要指出的是，对于不同性质的材料，不同热处理 工艺及焊接工艺的试样，在裂纹扩展过程中声发射源 可能会有所不同，因此需要做进一步的研究来探究不 同性质、不同热处理及焊接工艺下材料的疲劳裂纹扩 展过程中的声发射源机制． 在线弹性断裂力学的定义中，从稳态扩展区到失 · 0951 ·