不同拉伸速率下钢材损伤的声发射监测评价

龙小江， 李秋锋， 何才厚，吴 琼， 陈 果， 卢 超

(1. 南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2. 无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室，南昌 330063；3. 江西省特种设备检验检测研究院 鹰潭分院，江西 鹰潭 335000)

不同拉伸速率下钢材损伤的声发射监测评价

龙小江1,2， 李秋锋1,2， 何才厚3，吴 琼1， 陈 果1， 卢 超1,2

(1. 南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2. 无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室，南昌 330063；3. 江西省特种设备检验检测研究院 鹰潭分院，江西 鹰潭 335000)

钢材已成为生产的基本材料，被广泛应用于各行业，目前还没有对其进行损伤动态监测的有效方法。采用声发射技术对钢材Q235在不同的拉伸速率下进行损伤动态监测试验研究，首先通过试验获取了不同拉伸速率时材料的弹性、屈服、强化、颈缩和断裂各个力学行为阶段声发射信号并提取各个特征参数；然后通过各个特征参数累积量历程图归一化曲线对钢材拉伸损伤过程进行评价，发现特征参数累积量历程图归一化曲线可以明显反映出钢材拉伸整体演变过程及各个力学行为阶段特征，并且随着拉伸速率的减小，在屈服阶段的结束端点出现更为明显的突增量，可作为表征屈服阶段和强化阶段的重要转折点。结合拉伸力学，对各个力学行为阶段声发射信号的产生机制和特征进行总结，可为钢材后期声发射信号源的产生机制以及后期损伤定量、寿命预测的研究提供参考了依据。

声发射检测；钢材；动态监测；拉伸速率；损伤评价

由于钢材资源丰富、易于生产加工、综合性能好等优点以及钢铁工业的迅速发展，钢材及其产品已经普遍应用于国民经济各类行业和人们日常生活中，成为公众生活所必须的基础材料[1-2]。但钢材被广泛应用的同时也发生了许多钢材疲劳损伤导致的安全事故，尤其是在机械、交通运输、航空航天、核工业及特种设备等涉及安全要求较高的行业，所以要通过掌握先进的检测手段和可靠的评价方法确保钢材产品质量和设备运行安全，从而保障人们生命财产安全[3]。

随着科学技术的发展，无损检测技术在材料的加工、零件的制造、产品的组装直至产品使用等整个过程中起着关键的作用，不仅可以保证质量和使用安全，还能改进制造工艺、降低生产成本和提高劳动生产率，已被广泛应用于航空与航天、机械、交通运输、电力、石油与化工、锅炉与压力容器等各个行业，成为现代工业发展必不可少的重要技术手段[4-5]。目前对钢材产品的常规无损检测方法大都是在停机的状况下进行，无法实现在线实时监测和安全评价，而声发射技术是一种动态无损检测方法，这种技术能够对整体结构进行探测和评价，判别出活性缺陷的状态，并可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的信息，因此已成为动态无损检测的研究热点[6-9]。

材料的拉伸力学性能是评价材料性能的一个重要方面，一般通过材料拉伸曲线可表示出材料拉伸强度、屈服强度和断裂强度等的重要参数[10-11]。本次研究是对Q235钢材试块进行不同拉伸加载速率下的声发射监测试验，找出声发射特征参数累积量归一化曲线对钢材试块的整个损伤过程以及各个力学行为阶段评价依据，并总结其中规律、特点以及影响变化。然后根据钢材整个损伤过程以及各个力学行为阶段与声发射信号特征参数间的内在联系，结合拉伸损伤力学知识，总结出各个损伤阶段的声发射信号产生的原因，不仅为钢材的声发射产生机制和特征研究提供试验依据，同时为钢材声发射监测技术的损伤定量、寿命预测的研究提供参考依据。

1 声发射技术原理

声发射(Acoustic Emission，AE)是指材料在受到外界作用时，因材料中局部区域迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象[12-13]。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源(波源)的技术称为声发射技术，声发射检测原理如图1所示[14-17]。

图1 声发射技术基本原理Fig. 1 Basic theory of acoustic emission technology

对于声发射检测技术而言，它是一种在材料或结构受外力作用过程中，采集以瞬态弹性波形式释放出的应力波信号进行检测及评价的技术，是属于一种动态监测技术。对于钢材声发射信号产生机制，研究静拉伸损伤力学过程中对钢材声发射监测信号的评价是必要的。声发射检测主要是声发射源释放出的弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料损伤处的信息，经过用仪器检测、分析声发射信号即可对结构或材料中的损伤情况进行检测、定位和损伤评估。目前声发射信号处理方法可分为两大类：①以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征，然后对其进行分析和处理；②存储和记录声发射信号的波形，对波形进行各类频谱分析。在工程实践中，特征参数处理方法是广泛使用的经典声发射信号分析方法，目前在声发射检测中仍得到广泛应用[18-19]，本次研究所采用的方法是在特征参数历程分析的基础上，应用了特征参数累积量的归一化曲线进行不同拉伸速率下的钢材拉伸损伤过程的监测评价。

2 拉伸试验研究

2.1 试验测试

本次采用声发射监测技术对Q235钢材在不同拉伸速率作用下，研究拉伸损伤过程中各个力学行为(弹性、屈服、强化、颈缩和断裂)阶段中声发射信号特征参数及其累积量归一化的变化趋势，建立拉伸损伤过程各阶段与声发射特征参数间的内在联系，进而可实现对钢材的声发射动态监测评价。

材料拉伸试验机是INSTRON(英斯特朗)电液伺服疲劳试验机，仪器的型号为INSTRON 8801，该设备可进行拉伸、压缩、低周疲劳、裂纹扩展断裂以及其他各种动静态力学性能实验，载荷容量高达100 kN，可以满足试验要求，试验机如图2所示。试验使用8通道PCI-2系统声发射检测设备进行试验信号检测，检测设备如图3所示，其中声发射传感器的型号是为R15，中心频率为150 kHz，可接收各类金属材料损伤发出的声发射信号。

图2 INSTRON 8801试验机Fig. 2 The INSTRON 8801 experimental facilities

图3 声发射检测系统Fig. 3 The testing system of AE

试验是按照国家标准:GB/T 228.1—2010的要求完成，试验前根据标准加工了五块相同大小的标准拉伸试块，其材料均为Q235钢材，试块尺寸和实物图如图4所示。试验采用线定位方式，只使用声发射检测系统的两个接收通道进行试验测试，然后在拉伸损伤过程接收声发射源信号，并提取和分析声发射几个主要特征参数，并与材料拉伸损伤过程的力学行为对照，即可实现对材料损伤变化的表征和评估。

图4 试验试块几何尺寸和实物(单位：mm)Fig. 4 Geometry size and physical picture of testing samples (unit: mm)

试验前先用塑料薄膜紧贴在拉伸试样与材料试验机受力接触部位的两端，这样可以减少摩擦噪声信号，并将试块编号为W-01、W-02、W-03、W-04。声发射传感器布置的示意图如图5所示，传感器之间的距离为110 mm，1探头距左边距为90 mm，2探头距右边距为90 mm，左右对称布置。为使传感器良好的采集有效信号，传感器和试件的接触表面填充声耦合剂，并使用磁夹具将耦合好的传感器固定，如图6所示。然后完成声发射系统自检和参数设置工作，通过声发射检测仪器控制软件AE win 进行自检：①试块材料衰减的测量，由于试验试块是小试块，衰减很小，测量灵敏度时信号幅度都能满足要求；②软件参数设置，根据试块材料、尺寸和传感器距离设置好相关参数；③材料声速的测量，通过断铅模拟声发射定位，由声发射仪器测得信号源到两探头的时间差Δt，由时差法可算出材料声速，并设置速度参数,本试验测得声速约为5 200 m/s；④试验背景的噪声测试，对其中一块不做有效采集工作的试块进行加载测试，先将门槛值调节到20 dB进行加载采集工作，观察噪声信号的幅度值，本试验中噪声信号约60 dB,因此门槛设在65 dB。

准备工作完成后即可开始拉伸损伤声发射监测试验。为了后期试验数据的有效分析，材料试验机加载工作和声发射采集工作要求同时进行。试验首先设置试验机的拉伸速度为2 mm/min，保持该速度对试件加载损伤并采集全过程声发射信号，直至试块失效断裂，试验中加载和采集现场图如图6所示。当2 mm/min速率下试块拉伸损伤的声发射采集工作结束后，依次改变拉伸速率为1.5 mm/min、1 mm/min、0.5 mm/min进行测试，并更换试验试块，其它工作条件和参数保持不变，试验后拉伸试块实物图如图7所示。

2.2 试验结果及评价

经过对试块在不同拉伸速率下全历程的损伤监测试验后，仪器采集到材料从弹性阶段到断裂阶段整个变化过程的声发射信号。因为各个参数定义和单位不同，为了能够更好一起对比分析整个过程的变化规律，信号分析方法由特征参数历程分析到提出特征参数累积量归一化曲线的评价的应用，即对声发射信号的其中

图5 声发射传感器布置的示意图Fig. 5 The sketch map of AE sensors arrangement

五个主要特征参数(能量、计数、幅值、上升时间和持续时间)进行累积量曲线归一化评价分析。在这里是对整个损伤演变过程进行分析，因此采用经历图分析法，即通过对声发射信号参数随时间或外变量变化的情况进行分析，从而得到声发射源的活动情况和发展趋势。本文所使用的归一化方法的原理主要考虑每个分量对总体的比例情况，采用式(1)进行数据归一化

(1)

式中：X、P为归一化前后的数据；Xmax、Xmin为 AE声发射特征参数累积量X中的最大值和最小值。

图6 试块加载和声发射信号采集图Fig. 6 The sample loading and AE signal correcting

图7 试验后拉伸试块实物图Fig. 7 The Physical picture of samples after loading

通过该归一化处理不会改变每个累积分量对累积总量比例，所以归一化后更有力于分析整个过程力学行为各个阶段声发射活动情况。经过这些特征参数累积量的归一化经历图与拉伸载荷曲线比较，可以发现声发射信号能表征裂纹损伤演变的整个过程。图8为不同拉伸速率下的拉伸加载载荷随位移变化的拉伸力学曲线，每种拉伸速率下都反映出在损伤变化的五个不同阶段，即弹性、屈服、强化、颈缩和断裂阶段(由于断裂阶段，声发射信号突增，信号幅值很大，给特征参数归一化分析造成很大影响，且本文也主要是对前几个力学阶段进行分析，所以在归一化曲线中没有断裂阶段信号)，能明显地体现材料塑性特征。

图8 不同速率下Q235试样拉伸载荷历程曲线Fig. 8 Tensile load curves of Q235B specimens under different velocity

为了突出各个阶段各个AE特征参数的演变过程，本文利用特征参数累积量归一化曲线变化过程进行评价。图9是速率为2 mm/min、1.5 mm/min、1 mm/min、0.5 mm/min下特征参数累积量归一化以及加载载荷值随时间的变化曲线图，加载载荷随时间变化曲线可以通过力学理论将其分为弹性、屈服、强化、颈缩和断裂阶段，本文是在力学理论基础上观察和分析各阶段声发射的活动规律和原因。

通过图8和图9可以对塑性钢材标准试块拉伸损伤过程AE特征参数累积量在不同加载速率下的对比分析并总结得到以下几点规律：

(1)不同加载速率下的力学影响的分析。图8中由加载载荷随时间变化可以得出钢材试块能明显的区分拉伸损伤过程中各个力学行为的阶段，由拉伸力学知识可将其分为弹性、屈服、强化、颈缩以及断裂阶段，且从不同速率下拉伸载荷与位移曲线图对比可以发现，总体上在试验的4个加载速率范围里，加载速率对拉伸曲线的影响不明显，但是随拉伸速率的增大，钢材试块的屈服强度和抗拉强度会逐渐增大。

图9 不同速率下AE特征参数累积量历程归一化曲线及载荷历程曲线对照图Fig. 9 The comparison chart between the accumulation history normalized curves of AE characteristic parameters and tensile load curves under different velocity

(2)在弹性阶段，由图9可以得到在4种拉伸速率下声发射特征参数累积量归一化曲线变化很小，且几乎都为零，意味着不管拉伸速率如何，弹性阶段几乎不产生声发射信号源。由力学可知试块处在弹性阶段的变形是可以恢复到原始尺寸，在实际监测过程中说明弹性阶段的变形是正常。

(3)在屈服阶段，从上屈服开始，声发射各特征参数累积量归一化曲线变化发生大量增加并持续到屈服阶段的结束端点，整个阶段各参数的累积量的几乎成线性增加；随着加载速率的下降，在屈服阶段的结束端点有明显突增加，到0.5 mm/min速率时成垂直直线持续上升，如图10所示。在屈服阶段开始有塑性变形产生，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化——晶粒位错、变形甚至晶粒的重新排列，这恰恰也是声发射源产生的重要原因，而且随着拉伸速率的减小，明显地在屈服阶段的结束端点处有大量可动位错数量的产生，这使得声发射各特征参数累积量归一化曲线在该点处有明显地突增现象。

(4)在强化阶段，在屈服阶段的结束端点过后，声发射各特征参数累积量归一化曲线还在增长，但是增长速率逐渐在减小，最后达到平行，即无增量，也就是没有声发射信号的产生，如图11所示。在该阶段产生塑性变形，由于位错的交割和钉扎使可动位错数目减少所致，声发射信号产生也慢慢减少。

(5)在颈缩阶段，(见图11)，各速率下特征参数累积量归一化曲线在整个颈缩阶段几乎处于水平直线，增长率几乎为0，即在该阶段基本不产生声发射信号，说明在该阶段损伤没有声发射信号源的产生机制。

图10 不同速率屈服阶段AE特征参数累积量历程归一化曲线变化示意图Fig. 10 The evolution sketch of the accumulation history normalized curves of AE characteristic parameters under different velocity at the yield stage

图11 强化阶段、颈缩阶段和断裂阶段AE特征参数累积量归一化曲线变化示意图Fig. 11 The evolution sketch of the accumulation history normalized curves of AE characteristic parameters at the strengthen stage, necking stage and fracture stage respectively

(6)在断裂阶段，声发射信号参数有突增现象，如图11所示，说明有大量声发射信号产生，在不同速率下各参数中能量增量比例最大，而其他参数相对很小，说明在断裂阶段产生的是高能量声发射信号。在该阶段，由于前面颈缩阶段局部变形的增加，颈缩区域内的材料滑移将累积到很高程度，这时位错塞积及位错群密度都会很严重，以至在断裂阶段出现声发射信号的突增，并是高能量信号。

(7)各个特征参数累积量在不同速率下的比较分析。在不同拉伸速率下特征参数累积量归一化曲线都能明显地反映出各个力学行为阶段，即能通过声发射信号特征参数的变化过程和特征有效表征钢材损伤过程；各速率下特征参数幅值累积增量归一化线在强化阶段就接近1，说明在此之后出现的是小幅值信号，而特征参数能量累积增量归一化线在断裂阶段有较大突增，说明在该阶段有高能量信号产生；总体上随着拉伸速率的减小，在屈服阶段的结束端点有较大的突增现象，说明有在该处有大量的可动位错数量的产生，使得声发射信号的释放。

3 结 论

本次主要通过不同拉伸速率下声发射监测试验，研究声发射检测技术对钢材拉伸试样进行损伤监测及评价。通过对Q235钢材拉伸试块进行不同拉伸速率的力学拉伸试验，分析材料拉伸损伤在演变过程中，材料发出声发射信号的变化规律。通过声发射特征参数累积量归一化曲线变化图建立了5个特征参数与材料拉伸演变过程的内在联系，总结拉伸过程中弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段和断裂阶段的声发射信号变化特征，发现用声发射各特征参数累积量归一化曲线能更有效的反映出材料拉伸整体演变过程和各阶段的相应特征，且随着拉伸速率减小，声发射各特征参数累积量归一化曲线在屈服阶段的结束端点处产生越来越明显的突增现象，更能成为前后两阶段转变的重要标志。此外，结合拉伸力学知识和声发射基本原理对各个力学阶段声发射信号产生的原因进行分析和总结，不仅可为钢材声发射信号产生机制和特征研究提供试验依据，而且也可为进一步在受力损伤过程中对钢材声发射监测损伤定量、寿命预测的研究提供参考依据。

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Acoustic emission monitoring and evaluation for rolled steel damage under different tensile rates

LONG Xiaojiang1,2, LI Qiufeng1,2, HE Caihou3, WU Qiong1, CHEN Guo1, LU Chao1,2

(1. Key Laboratory of Nondestructive Testing Ministry of Education，Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063, China;2. National & Local Joint Engineering Laboratoory for NDT and Optoelectronic Sensing Technology and Application, Nanchang 330063, China;3. Yingtan Branch, Jiangxi Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Yingtan 335000, China)

Rolled steel becomes the basic material of production and is widely used in various industries, but there is no dynamic monitoring method for rolled steel damage at present. Tests for the dynamic monitoring damage process of steel Q235 under different tensile rates were conducted by using the acoustic emission technique here. Firstly, the acoustic emission signals, produced in the material’s various mechanic behavior stages of elasticity, yield, strengthening, necking and fracture, respectively were obtained under different tensile rates, and the characteristic parameters were extracted. Then the steel tensile damage process was evaluated using the accumulation history images’ normalized curves of characteristic parameters. It was shown that the accumulation history images’ normalized curves of characteristic parameters can obviously reflect the steel tensile whole evolution process and characteristics of each mechanical behavior stage, and the more obvious sudden increment appears at the endpoint of yield stage with decrease in tensile rate, it can be used as an important turning point between yield stage and strengthening stage. Finally, the generation mechanism and characteristics of acoustic emission signals were summarized for each mechanical behavior stage combining with the stretching mechanics. The results provided a reference for further studying the generation mechanism of acoustic emission signals, the quantitative damage and life prediction in rolled steel’s later stage.

acoustic emission testing; rolled steel; dynamic monitoring; tensile rates; damage evaluation

国家自然科学基金项目(11264032；11374134)；江西省自然科学基金项目(20122BAB201024)；国家质检总局科技计划项目(2013ZJJZ180)；航空科学基金项目(2014ZD56007)；上海航天科技创新基金项目(SAST201364)；江西省教育厅科技项目(GJJ14530)；无损检测技术教育部重点实验室开放基金项目(ZD201429002)

2015-10-19 修改稿收到日期： 2016-02-04

龙小江 男，硕士生，1988年生

李秋锋，男，博士，副教授，硕士生导师，1976年生

TB5;TH87

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.07.033