工程科学学报，第40卷，第4期：461-468,2018年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.4:461-468,April 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.009:http://journals.ustb.edu.cn 基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 张 进，柴孟瑜，项靖海，段权四 西安交通大学化学工程与技术学院，西安710049 ☒通信作者，E-mail:quanduan(@mail.xjtu.cd.cn 摘要疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言，非常有必要对疲 劳裂纹扩展过程进行监测，并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究，利用直流电位法测 量实验中的裂纹长度，得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测，通过声发射多参数 分析对疲劳损伤状态进行评价，同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系，并进行寿命预测.研究表明：声发 射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估，声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标 志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段，这可以为工程人员提供失效预警：声发射波形和频谱分析表明，噪声信号的幅值较小且信 号持续时间较长，信号包含的频率成分比较复杂，而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，信号频率主要集中在80~170kHz 范围内：声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系，裂纹长度预测结果与 实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义. 关键词316LN不锈钢：疲劳裂纹扩展；声发射：多参数分析：寿命预测 分类号TG142.33·1 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring ZHANG Jin,CHAI Meng-yu,XIANG Jing-hai,DUAN Quan School of Chemical Engineering and Technology,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China Corresponding author,E-mail:quanduan@mail.xjtu.edu.cn ABSTRACT The initiation and growth of fatigue cracks usually lead to serious fatigue failure of steel structures such as pressure ves- sels and pipelines.Therefore,for the safety and reliability of engineering structures,monitoring the fatigue crack growth and evaluating the severity of fatigue damage are important.An investigation of fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel was presented by using the in situ acoustic emission (AE)monitoring technique.Fatigue crack propagation tests of 3161N stainless steel were carried out.The direct-current potential-drop method was used to measure fatigue crack propagation.At the same time,the AE technique was used to monitor propagation of the fatigue cracks in real time.The fatigue damage of 316LN stainless steel was qualitatively assessed by AE multi-parametric analyses such as the AE count,energy,and amplitude.Moreover,the quantitative relationships among AE pa- rameters and the linear elastic fracture mechanics parameters were established for predicting the remaining fatigue life.The results show that the AE technique is effective for evaluating the severity of fatigue damage of 316LN stainless steel.The transition point on the curves of cumulated count,energy,and amplitude indicates that the fatigue crack propagates into the rapid crack propagation stage. This obvious change in AE could potentially provide failure warnings for researchers or engineers.Furthermore,the analyses of wave- form and frequency show that the noise signal with low amplitude and long duration contains complex frequency components,whereas the crack propagation signal is a type of burst signal and the frequency is mainly distributed in the range from 80 to 170 kHz.In addi- tion,the quantitative relations between fatigue crack propagation rate and AE rates such as the count rate,energy rate,and the ampli- tude rate were found to be linear,and these relations were used to predict fatigue crack length.The predicted fatigue crack lengths showed good agreement with the measured crack lengths.The results of the present investigation will be helpful for providing fatigue 收稿日期：2017-06-21
工程科学学报，第 40 卷，第 4 期: 461--468，2018 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 4: 461--468，April 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 04． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于声发射监测的 316LN 不锈钢的疲劳损伤评价 张 进，柴孟瑜，项靖海，段 权 西安交通大学化学工程与技术学院，西安 710049 通信作者，E-mail: quanduan@ mail． xjtu． edu． cn 摘 要 疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效． 因此就设备的安全可靠性而言，非常有必要对疲 劳裂纹扩展过程进行监测，并对疲劳损伤程度进行评估． 本文针对 316LN 不锈钢材料进行疲劳实验研究，利用直流电位法测 量实验中的裂纹长度，得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线． 利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测，通过声发射多参数 分析对疲劳损伤状态进行评价，同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系，并进行寿命预测． 研究表明: 声发 射能够对 316LN 不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估，声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标 志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段，这可以为工程人员提供失效预警; 声发射波形和频谱分析表明，噪声信号的幅值较小且信 号持续时间较长，信号包含的频率成分比较复杂，而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，信号频率主要集中在 80 ～ 170 kHz 范围内; 声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系，裂纹长度预测结果与 实测值接近． 本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义． 关键词 316LN 不锈钢; 疲劳裂纹扩展; 声发射; 多参数分析; 寿命预测 分类号 TG142. 33 + 1 收稿日期: 2017--06--21 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring ZHANG Jin，CHAI Meng-yu，XIANG Jing-hai，DUAN Quan School of Chemical Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China Corresponding author，E-mail: quanduan@ mail． xjtu． edu． cn ABSTＲACT The initiation and growth of fatigue cracks usually lead to serious fatigue failure of steel structures such as pressure vessels and pipelines． Therefore，for the safety and reliability of engineering structures，monitoring the fatigue crack growth and evaluating the severity of fatigue damage are important． An investigation of fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel was presented by using the in situ acoustic emission ( AE) monitoring technique． Fatigue crack propagation tests of 316LN stainless steel were carried out． The direct-current potential-drop method was used to measure fatigue crack propagation． At the same time，the AE technique was used to monitor propagation of the fatigue cracks in real time． The fatigue damage of 316LN stainless steel was qualitatively assessed by AE multi-parametric analyses such as the AE count，energy，and amplitude． Moreover，the quantitative relationships among AE parameters and the linear elastic fracture mechanics parameters were established for predicting the remaining fatigue life． The results show that the AE technique is effective for evaluating the severity of fatigue damage of 316LN stainless steel． The transition point on the curves of cumulated count，energy，and amplitude indicates that the fatigue crack propagates into the rapid crack propagation stage． This obvious change in AE could potentially provide failure warnings for researchers or engineers． Furthermore，the analyses of waveform and frequency show that the noise signal with low amplitude and long duration contains complex frequency components，whereas the crack propagation signal is a type of burst signal and the frequency is mainly distributed in the range from 80 to 170 kHz． In addition，the quantitative relations between fatigue crack propagation rate and AE rates such as the count rate，energy rate，and the amplitude rate were found to be linear，and these relations were used to predict fatigue crack length． The predicted fatigue crack lengths showed good agreement with the measured crack lengths． The results of the present investigation will be helpful for providing fatigue
·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 ·
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 ·
·464 工程科学学报，第40卷，第4期 的疲劳裂纹扩展速率的Paris公式为： 计数等参数分布在一个平稳的范围内，这一阶段 da/dN=4.97×10-7△Ks (4) 对应于裂纹稳态扩展：在1400~1800s时间段内 2.2裂纹扩展过程中的声发射参数分析 信号明显增多，这一阶段对应于裂纹快速扩展和 取一个典型试样的声发射实验数据进行分析， 断裂.能量和计数较高的信号主要出现在实验进 绘制声发射信号的能量、计数和幅值随时间变化的 行到1400~1800s之间，能量和计数最高的信号 历程图，如图4所示，以反映疲劳实验过程中声发射 集中出现在疲劳实验即将结束的时刻.声发射信 源的活动状态及其发展变化过程.可以看出，在实 号的幅值主要在45~60dB范围分布，幅值较大者 验开始时，有个别高能量和计数的信号出现，随后在 主要出现在实验进行到800~1200s及1500~ 200~1400s的时间段内，声发射信号的幅值、能量、 1800s之间. 50 a 40 F30 0 204 ⊙ 25 10E 500 1000 1500 2000 500 1000 1500 2000 时间s 时间s 70 65 604 55 50 43 500 1000 1500 2000 时间s 图4声发射能量(a)、计数(b)和幅值(c)随时间的变化 Fig.4 Variations of AE energy (a),count (b)and amplitude (c)with respect to fatigue loading time 取图4(a)中的信号局部放大，得到噪声信号和 长，疲劳循环次数达到10万次左右时，其增长速率 裂纹扩展信号的典型波形及频谱图如图5和图6所 明显增大，快速增长直至断裂.表明此时疲劳裂纹 示，可以看出噪声信号的幅值较小且信号持续时间 扩展过程从稳态扩展区转入失稳扩展区.在图3裂 较长，信号包含的频率成分比较复杂，可能是由于试 纹扩展速率与应力强度因子的关系图上，裂纹扩展 样与疲劳试验机的滚柱接触产生的撞击和摩擦等引 速率呈现线性关系，无法判断疲劳裂纹是否进入快 起的：而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，其 速扩展阶段，而声发射累积计数、能量和幅值等参数 信号频率主要集中在80~170kHz范围内.因此在 在10万周次时出现转折点，标志着裂纹进入快速扩 结构材料的疲劳监测中，类似图5(b)这种特征信号 展阶段，这一转折点明显比由线弹性断裂力学识别 的出现可以为工程人员提供疲劳损伤失效预警. 的转折点要提前.因此，声发射累积计数、能量和幅 将疲劳实验过程中的声发射信号计数、能量及 值可以有效识别材料疲劳裂纹扩展过程从稳态扩展 幅值进行累积求和，得到累积计数、累积能量和累积 进入失稳断裂阶段. 幅值随循环次数的演化规律，如图7所示.可以看 2.3基于声发射参数的疲劳裂纹扩展预测 出10万次循环之前，声发射累积参数缓慢稳定增 材料在疲劳裂纹扩展过程中，由于塑性变形、断
工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 的疲劳裂纹扩展速率的 Paris 公式为: da /dN = 4. 97 × 10 － 7ΔK1. 85 ( 4) 2. 2 裂纹扩展过程中的声发射参数分析 取一个典型试样的声发射实验数据进行分析， 绘制声发射信号的能量、计数和幅值随时间变化的 历程图，如图 4 所示，以反映疲劳实验过程中声发射 源的活动状态及其发展变化过程． 可以看出，在实 验开始时，有个别高能量和计数的信号出现，随后在 200 ～ 1400 s 的时间段内，声发射信号的幅值、能量、 计数等参数分布在一个平稳的范围内，这一阶段 对应于裂纹稳态扩展; 在 1400 ～ 1800 s 时间段内 信号明显增多，这一阶段对应于裂纹快速扩展和 断裂． 能量和计数较高的信号主要出现在实验进 行到 1400 ～ 1800 s 之间，能量和计数最高的信号 集中出现在疲劳实验即将结束的时刻． 声发射信 号的幅值主要在 45 ～ 60 dB 范围分布，幅值较大者 主要出现在实验进行到 800 ～ 1200 s 及 1500 ～ 1800 s 之间． 图 4 声发射能量( a) 、计数( b) 和幅值( c) 随时间的变化 Fig． 4 Variations of AE energy ( a) ，count ( b) and amplitude ( c) with respect to fatigue loading time 取图 4( a) 中的信号局部放大，得到噪声信号和 裂纹扩展信号的典型波形及频谱图如图 5 和图 6 所 示，可以看出噪声信号的幅值较小且信号持续时间 较长，信号包含的频率成分比较复杂，可能是由于试 样与疲劳试验机的滚柱接触产生的撞击和摩擦等引 起的; 而裂纹扩展信号是突发型信号，衰减较快，其 信号频率主要集中在 80 ～ 170 kHz 范围内． 因此在 结构材料的疲劳监测中，类似图 5( b) 这种特征信号 的出现可以为工程人员提供疲劳损伤失效预警． 将疲劳实验过程中的声发射信号计数、能量及 幅值进行累积求和，得到累积计数、累积能量和累积 幅值随循环次数的演化规律，如图 7 所示． 可以看 出 10 万次循环之前，声发射累积参数缓慢稳定增 长，疲劳循环次数达到 10 万次左右时，其增长速率 明显增大，快速增长直至断裂． 表明此时疲劳裂纹 扩展过程从稳态扩展区转入失稳扩展区． 在图 3 裂 纹扩展速率与应力强度因子的关系图上，裂纹扩展 速率呈现线性关系，无法判断疲劳裂纹是否进入快 速扩展阶段，而声发射累积计数、能量和幅值等参数 在 10 万周次时出现转折点，标志着裂纹进入快速扩 展阶段，这一转折点明显比由线弹性断裂力学识别 的转折点要提前． 因此，声发射累积计数、能量和幅 值可以有效识别材料疲劳裂纹扩展过程从稳态扩展 进入失稳断裂阶段． 2. 3 基于声发射参数的疲劳裂纹扩展预测 材料在疲劳裂纹扩展过程中，由于塑性变形、断 · 464 ·
张进等：基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 ·465· (a) b 0.02 0.2 -0.02 -0.2 500 1000 1500 2000 500 1000 1500 2000 时间/μs 时间/as 图5噪声信号(a）和裂纹扩展信号(b)波形 Fig.5 Representative waveforms of noise signal (a)and fatigue crack propagation signal (b) 3.5 a (b) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 01 0 0.3 0.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 05 频率/MHz 频率/MHz 图6噪声信号(a)和裂纹扩展信号(b)的频谱图 Fig.6 Frequency spectrum of noise signal (a)and fatigue crack propagation signal (b) 2.0 度因子幅度，R是载荷比，则可得到下式： 1.4 一累积幅值 一累积能量 (AK)2 1.2 累积计数 E= (6) 气1 1.5 (1-R)3.ETa 裂纹萌生区 快速扩展区 对上式两边取关于循环次数的导数可以变 0.8 稳态扩展区 形为： 1-E(a02, dE T dN (7) 0.2 式中：dE/dW是声发射能量率，da/dW是疲劳裂纹 06 200004000060000800001000001200000 扩展速率 循环次数 结合式(1)，则声发射能量率dE/dW与应力强 图7累积能量/计数/幅值与疲劳循环次数的关系 度因子幅度△K之间的关系可以用类似于Pais公 Fig.7 Relations of AE cumulative energy,cumulative count,and 式的形式来表达： cumulative amplitude to fatigue cycles E=D (AK)" (8) 裂及裂纹扩展所释放的能量可以表示为： dN J=G.T.a (5) 式中：D=TC/[(1-R)2·E],是由材料性质和实 式中，T是试件厚度，a是裂纹长度，G=K2x/E是 验条件决定的常数，p=m+2. 能量释放率，E是平面应力状态下的杨氏模量. 研究发现声发射计数率和幅值率与应力强度因 假设声发射能量E和疲劳裂纹扩展释放的能 子幅度之间也有类似于Pais公式形式的关系： 量」成正比，能量释放率K=△K是应力强 B(AK) dc (9)
张 进等: 基于声发射监测的 316LN 不锈钢的疲劳损伤评价 图 5 噪声信号( a) 和裂纹扩展信号( b) 波形 Fig． 5 Ｒepresentative waveforms of noise signal ( a) and fatigue crack propagation signal ( b) 图 6 噪声信号( a) 和裂纹扩展信号( b) 的频谱图 Fig． 6 Frequency spectrum of noise signal ( a) and fatigue crack propagation signal ( b) 图 7 累积能量/计数/幅值与疲劳循环次数的关系 Fig． 7 Ｒelations of AE cumulative energy，cumulative count，and cumulative amplitude to fatigue cycles 裂及裂纹扩展所释放的能量可以表示为: J = G·T·a ( 5) 式中，T 是试件厚度，a 是裂纹长度，G = K2 max /E* 是 能量释放率，E* 是平面应力状态下的杨氏模量． 假设声发射能量 E 和疲劳裂纹扩展释放的能 量 J 成正比，能量释放率 Kmax = ΔK 1 － Ｒ，ΔK 是应力强 度因子幅度，Ｒ 是载荷比，则可得到下式: E = ( ΔK) 2 ( 1 － Ｒ) 2 ·E* ·T·a ( 6) 对上式两边取关于循环次数的导数可以变 形为: dE dN = T ( 1 － Ｒ) 2 ·E* ·( ΔK) 2 ·da dN ( 7) 式中: dE /dN 是声发射能量率，da /dN 是疲劳裂纹 扩展速率． 结合式( 1) ，则声发射能量率 dE /dN 与应力强 度因子幅度 ΔK 之间的关系可以用类似于 Paris 公 式的形式来表达: dE dN = D ( ΔK) p ( 8) 式中: D = T·C /［( 1 － Ｒ) 2 ·E* ］，是由材料性质和实 验条件决定的常数，p = m + 2． 研究发现声发射计数率和幅值率与应力强度因 子幅度之间也有类似于 Paris 公式形式的关系: dC dN = B ( ΔK) l ( 9) · 564 ·