，，，，

(1.江西省質量技術監(jiān)督信息中心， 南昌 330029； 2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

近年來，隨著國民經濟的快速增長，電力和通信行業(yè)發(fā)展迅速，鐵塔已廣泛應用于人們的生活中。由于長期工作在自然環(huán)境下，極易受到冰雪等惡劣天氣的影響，鐵塔的鋼結構易受到破壞甚至發(fā)生斷裂而導致倒塌事故。根據相關材料的統(tǒng)計，由裂紋擴展導致鐵塔鋼結構失效進而倒塌的事故占70%[1-2]。因此，對鐵塔鋼結構的研究越來越受到關注。

在斷裂力學中，通常用裂紋擴展速率da/dN與應力強度因子幅值ΔK的關系[1]將疲勞裂紋擴展的過程劃分為3個階段。大量的研究表明，聲發(fā)射累積振鈴計數值也能很好地表征疲勞損傷的3個階段[3]。為了能對金屬疲勞損傷程度進行實時判定，許多學者[4-6]通過建立聲發(fā)射計數率dC/dN與應力強度因子幅值ΔK的函數關系[7-8]，以期對疲勞損傷進行預測。在實際的應用中，由于噪聲和其他因素的影響，聲發(fā)射計數率的數值變化范圍較大，因而使用該參數不容易判斷出材料是否進入失穩(wěn)斷裂階段。

為了用聲發(fā)射計數率的離散系數來研究金屬失穩(wěn)斷裂的情況，筆者選取鐵塔的常用鋼材——Q345B鋼為代表，建立了聲發(fā)射計數率的離散系數與應力強度因子幅值的關系,為鋼材疲勞失效的模式識別提供依據。

1 試驗試樣及參數設置

1.1 試驗試樣

試樣選用的材料是鐵塔常用鋼材Q345B，根據標準GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的規(guī)定制作了緊湊拉伸試樣[9]，其長度為87.5 mm，寬度為84 mm，厚度為9 mm。詳細參數如圖1所示。

圖1 緊湊拉伸試樣尺寸示意

1.2 試驗設備及參數設置

疲勞拉伸所用的試驗機是美國進口液壓疲勞試驗機INSTRON 8801。聲發(fā)射測試系統(tǒng)使用的是美國物理聲學公司(PAC)生產的，其是由4塊PCI-2采集卡組成的8通道全數字式聲發(fā)射測試系統(tǒng)。

在力學加載方案中，試驗采用載荷頻率為10 Hz的正弦波,最大載荷Pmax=11.11 kN，通過改變最小載荷值來實現不同應力比(R=Pmin/Pmax),用三種應力比分別對試樣進行加載，應力比為0.1,0.15,0.2。在常溫下，控制每種應力比的最大和最小載荷不變，改變應力強度因子K進行試驗。在聲發(fā)射參數的設置中，調節(jié)前置放大器的增益為40 dB，經過實測的門檻值為46 dB,較為公認的模擬濾波器的頻率范圍主要集中100 kHz～400 kHz，波形采樣率為1 MSPS,峰值定義時間、撞擊定義時間和撞擊閉鎖時間分別為300,600和1 000 μs。

2 試驗結果及討論

2.1 聲發(fā)射累計計數表征疲勞損傷過程

從最早的MORTON T M等人[10-11]到現在的很多學者都研究過累積振鈴計數C和循環(huán)次數N的關系，發(fā)現其能很好地表征疲勞裂紋擴展的三個階段。由于在試驗中疲勞試驗機會時刻自動記錄試樣的應力強度因子幅值ΔK和循環(huán)次數N的數值，則可以建立ΔK和N的關系[12],而通過聲發(fā)射測試系統(tǒng)獲得的數據可建立累積振鈴計數C和循環(huán)次數N的關系,通過兩對關系式，可以間接地建立累積振鈴計數C和應力強度因子幅值ΔK的關系。

在疲勞裂紋擴展試驗開始時，同步全程采集聲發(fā)射信號。圖2為6個試樣的振鈴計數值c、聲發(fā)射累積計數值C與應力強度因子幅值ΔK(MPa·m-1/2)的自然對數值在雙極性坐標軸中的關系。

圖2中累積計數值在整個疲勞裂紋擴展過程中基本都呈現出3個比較明顯的跳變，即聲發(fā)射的3個階段[13-15]，這與前人的研究結果一致。文章主要研究的是與失穩(wěn)斷裂密切相關的第二階段和第三階段，第一階段不做重點研究。在聲發(fā)射的第二階段中累積計數的增長速度整體呈線性趨勢，這一階段占整個采集過程的很大一部分。到了第三階段后，剛進入該階段的一段時間內，累積計數值的增長速度會迅速增加，聲發(fā)射信號的活躍度大大增加;在進入該階段一段時間后，累積計數值的增長速度和聲發(fā)射信號的活躍度會出現短暫地降低，但是總體趨勢還是在快速增加，最終導致試樣斷裂。

累積計數值在進入第三階段后，其斜率呈現一種“高-低-高”的規(guī)律，這由圖2(b),(d),(e)能夠很明顯地看出，其振鈴計數與聲發(fā)射信號活躍度都會呈現出類似的規(guī)律。這是因為在疲勞裂紋擴展過程中,振鈴計數的表現規(guī)律與裂紋尖端能量的集中或釋放有關。

2.2 聲發(fā)射振鈴計數率與力學參數的關系分析

由于聲發(fā)射累積振鈴計數能很好地描述整個疲勞裂紋擴展過程，為了能對疲勞損傷程度進行實時判定和預測，許多學者建立了聲發(fā)射計數率dC/dN與應力強度因子幅值ΔK的函數關系[16]。

圖3為6個試樣的聲發(fā)射計數率與應力強度因子幅值ΔK的自然對數值的關系曲線。

圖3 Q345B鋼材在不同應力比下,振鈴計數率與應力強度因子幅值的關系

從圖3能看出：① 聲發(fā)射計數率與ΔK的自然對數值的關系不呈明顯的線性關系，聲發(fā)射數據分散性較大，主要影響因素有信號中夾雜著不可避免的噪聲、傳感器與試樣的耦合情況、裂紋擴展中能量的積聚和釋放等。② 在聲發(fā)射累積振鈴計數值進入第三階段時，聲發(fā)射計數率數據分散性很大，導致在用計數率表征疲勞損傷的過程中，第二階段與第三階段的轉折點并不清晰，從而不容易判斷出材料是否進入疲勞裂紋的失穩(wěn)斷裂階段，不適用于預警疲勞斷裂。

2.3 聲發(fā)射計數率的離散系數對失穩(wěn)狀態(tài)的識別

2.3.1 聲發(fā)射計數率的離散系數對疲勞損傷過程的描述

根據前面的研究可知,計數率數據在整個過程中分散性較大，但在剛進入第三階段的一段較短的時間內，計數率數據出現相對收斂的特性，而在第三階段內聲發(fā)射振鈴計數值，呈現出“持續(xù)高-持續(xù)低-持續(xù)低”的變化規(guī)律。根據聲發(fā)射計數率數據離散程度的不同，筆者首次用計數率的離散系數來表征整個疲勞損傷過程。

離散系數是極差、平均差、方差或標準差等變異指標與算術平均數的比率，以相對數的形式表示變異程度，是測量數據離散程度的相對統(tǒng)計量，最常用的離散系數是用標準差來計算的，也稱之為標準差系數Vσ。

(1)

在MATLAB中可以用標準差std(·)函數和平均值mean(·)函數，來間接求數據的標準差系數。

2.3.2 計數率的離散系數與應力強度因子幅值關系的分析

圖4為計數率的離散系數與應力強度因子幅值ΔK的自然對數值的關系。

從圖4(a),(b),(c),(d)中可以看出，ln(ΔK)分別在3.688,3.890,3.826,3.663,3.528附近時，計數率離散系數呈現出從分散性很大到一段時間內集中的趨勢。通過觀察累積計數圖和計數率離散系數圖(圖2和圖4),可以看出其在第二階段與第三階段的轉折點處基本相同，而計數率的離散系數可以很清晰地表現這一特征。因此，計數率離散系數在第二階段和第三階段變化規(guī)律的不同與計數率離散系數的變化情況，可為聲發(fā)射Q345B失穩(wěn)斷裂模式的識別提供依據。

圖4的計數率離散系數的數據分散性很大，也沒有集中的趨勢，圖2的累積計數值也不能明顯地看出第二階段與第三階段的轉折點，這可能是因為該試樣一直在第二階段并沒有進入第三階段。這也從側面證明了計數率的離散系數在第二階段和第三階段的變化是不同的。

圖4所示的聲發(fā)射振鈴計數率離散系數的變化情況表現在累積計數值表征疲勞裂紋擴展的第二階段的數據分散性大與剛進入第三階段的數據會有集中趨勢這兩個方面，這一變化情況可通過聲發(fā)射振鈴計數率離散系數的方差來反映，即離散系數數據分散性大其方差就大，反之，其方差就小。表1為圖4對應試樣的聲發(fā)射振鈴計數率離散系數的方差。

圖4 Q345B鋼材在不同應力比下,計數率的離散系數與應力強度因子幅值的關系

試樣第二階段內第二、三階段交界處第三階段內最大值最小值平均值轉折點值最大值最小值R=0．1，試樣10．19720．03070．07370．01090．07310．0041R=0．1，試樣26．86320．18362．49810．06941．18550．0130R=0．15，試樣10．82840．05400．19620．02150．10470．0125R=0．15，試樣24．91070．04860．69230．00331．72700．0023R=0．2，試樣10．05630．00750．01620．00240．04580．0009

從表1可看出，累積計數值所表征的第二階段聲發(fā)射振鈴計數率離散系數方差值的最小值到第二、三階段交界點處的轉折點值，會發(fā)生明顯地跳變(向下跳變60%以上)，且保持較低的數值運行，這是因為第三階段內的最大值比第二階段的最大值小60%以上。因此，AE振鈴計數率離散系數的方差值也可作為聲發(fā)射Q345B失穩(wěn)斷裂模式的識別參數。

2.3.3 驗證計數率的離散系數與力學參數的關系

柴孟瑜等[5]通過對Q345R疲勞裂紋擴展過程的聲發(fā)射研究，發(fā)現聲發(fā)射參數在第二及第三階段的轉折點比線彈性斷裂力學定義的轉折點要提前，聲發(fā)射監(jiān)測技術能夠提前預測疲勞裂紋擴展過程的失穩(wěn)斷裂階段。

為了驗證上面的結論和用聲發(fā)射計數率的離散系數在疲勞裂紋擴展過程中的規(guī)律，現在繼續(xù)用應力比為0.15的兩個試樣做全程的疲勞拉伸試驗，即把試樣全拉至斷裂。這兩個試樣的計數率離散系數與應力強度因子幅值ΔK的自然對數值的關系，如圖5所示。

圖5 Q345B鋼材的聲發(fā)射計數率的離散系數與應力強度因子幅值的關系

通過這兩個試樣的驗證性試驗，可以很明顯地看出,計數率的離散系數能很好地識別出裂紋擴展從第二階段到第三階段的變化規(guī)律。

3 結論

聲發(fā)射累積計數是振鈴總計數的變化趨勢，是針對疲勞裂紋擴展的整個過程進行描述的，以累積計數為基礎研究聲發(fā)射計數率,發(fā)現其數據分散性很大，故其無法對疲勞損傷進行有效地預測，也不適用于失穩(wěn)斷裂模式的識別。筆者建立的Q345B鋼材聲發(fā)射計數率的離散系數與應力強度因子幅值的關系，可為利用聲發(fā)射技術作為Q345B鋼材失穩(wěn)斷裂模式的識別提供預警依據。

[1] SMITH T A, WARWICK R G. A survey of defects in pressure vessel built to high standard of construction[J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping,1974,2(4):283-287.

[2] SHEN G T, ZHANG W L. A review of nondestructive testing technique for pressure vessels[J].Nondestructive Testing,2004,26(1):37-41.

[3] PARIS P, ERDOGAN F A. Critical analysis of crack growth laws [J].Journa lof Basic Engineering, Transaction ASTM (Series), 1963,85(3):528-534.

[4] 冷亞波.金屬材料疲勞損傷的聲發(fā)射特性研究[D].南昌:南昌大學,2013.

[5] 柴孟瑜,段權,張早校.Q345R疲勞裂紋擴展過程的聲發(fā)射研究[J].工程科學學報，2015,37(12):1588-1593.

[6] 王慧晶.基于聲發(fā)射參數的材料疲勞斷裂研究[D].大連：大連理工大學,2013.

[7] 汪文有,孔德連,許鳳旌.鋼結構疲勞損傷聲發(fā)射檢測[J].無損檢測,2013,35(11):67-71.

[8] 李元輝,袁瑞甫,趙興東.巖石受載記憶的聲發(fā)射實驗研究[J].遼寧工程技術大學學報,2006,8(25):518-520.

[9] GB/T 6398-2000 金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法[S].

[10] MORTON T M, SMITH S, HARRINGTON R M. Effect of loading variables on the acoustic emissions of fatigue crack growth[J]. Experimental Mechanics, 1974, 14(5):208-213.

[11] MIINSHION H, LIANG J, PETER K, et al. Using acoustic emission in fatigue and fracture materials research[J].JOME, 1998, 11:50-55.

[12] 龍小江.鋼材損傷過程聲發(fā)射檢測與評價方法研究[D].南昌:南昌航空大學,2015.

[13] 張行.斷裂與損傷力學[M].北京:北京航天航空大學出版社,2006.

[14] 赫松林,陳鑄曾.損傷及損傷力學[J].國防科技大學學報,2004,6(2): 10-13.

[15] 余壽文,馮西橋.損傷力學[M].北京:清華大學出版社,1997.

[16] 王振京.基于聲發(fā)射技術的Q345B疲勞裂紋擴展研究[D].南昌:南昌航空大學,2017.