基于声发射的Q345B钢失稳断裂模式识别

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(1.江西省质量技术监督信息中心， 南昌 330029； 2.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063)

近年来，随着国民经济的快速增长，电力和通信行业发展迅速，铁塔已广泛应用于人们的生活中。由于长期工作在自然环境下，极易受到冰雪等恶劣天气的影响，铁塔的钢结构易受到破坏甚至发生断裂而导致倒塌事故。根据相关材料的统计，由裂纹扩展导致铁塔钢结构失效进而倒塌的事故占70%[1-2]。因此，对铁塔钢结构的研究越来越受到关注。

在断裂力学中，通常用裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK的关系[1]将疲劳裂纹扩展的过程划分为3个阶段。大量的研究表明，声发射累积振铃计数值也能很好地表征疲劳损伤的3个阶段[3]。为了能对金属疲劳损伤程度进行实时判定，许多学者[4-6]通过建立声发射计数率dC/dN与应力强度因子幅值ΔK的函数关系[7-8]，以期对疲劳损伤进行预测。在实际的应用中，由于噪声和其他因素的影响，声发射计数率的数值变化范围较大，因而使用该参数不容易判断出材料是否进入失稳断裂阶段。

为了用声发射计数率的离散系数来研究金属失稳断裂的情况，笔者选取铁塔的常用钢材——Q345B钢为代表，建立了声发射计数率的离散系数与应力强度因子幅值的关系,为钢材疲劳失效的模式识别提供依据。

1 试验试样及参数设置

1.1 试验试样

试样选用的材料是铁塔常用钢材Q345B，根据标准GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的规定制作了紧凑拉伸试样[9]，其长度为87.5 mm，宽度为84 mm，厚度为9 mm。详细参数如图1所示。

图1 紧凑拉伸试样尺寸示意

1.2 试验设备及参数设置

疲劳拉伸所用的试验机是美国进口液压疲劳试验机INSTRON 8801。声发射测试系统使用的是美国物理声学公司(PAC)生产的，其是由4块PCI-2采集卡组成的8通道全数字式声发射测试系统。

在力学加载方案中，试验采用载荷频率为10 Hz的正弦波,最大载荷Pmax=11.11 kN，通过改变最小载荷值来实现不同应力比(R=Pmin/Pmax),用三种应力比分别对试样进行加载，应力比为0.1,0.15,0.2。在常温下，控制每种应力比的最大和最小载荷不变，改变应力强度因子K进行试验。在声发射参数的设置中，调节前置放大器的增益为40 dB，经过实测的门槛值为46 dB,较为公认的模拟滤波器的频率范围主要集中100 kHz～400 kHz，波形采样率为1 MSPS,峰值定义时间、撞击定义时间和撞击闭锁时间分别为300,600和1 000 μs。

2 试验结果及讨论

2.1 声发射累计计数表征疲劳损伤过程

从最早的MORTON T M等人[10-11]到现在的很多学者都研究过累积振铃计数C和循环次数N的关系，发现其能很好地表征疲劳裂纹扩展的三个阶段。由于在试验中疲劳试验机会时刻自动记录试样的应力强度因子幅值ΔK和循环次数N的数值，则可以建立ΔK和N的关系[12],而通过声发射测试系统获得的数据可建立累积振铃计数C和循环次数N的关系,通过两对关系式，可以间接地建立累积振铃计数C和应力强度因子幅值ΔK的关系。

在疲劳裂纹扩展试验开始时，同步全程采集声发射信号。图2为6个试样的振铃计数值c、声发射累积计数值C与应力强度因子幅值ΔK(MPa·m-1/2)的自然对数值在双极性坐标轴中的关系。

图2中累积计数值在整个疲劳裂纹扩展过程中基本都呈现出3个比较明显的跳变，即声发射的3个阶段[13-15]，这与前人的研究结果一致。文章主要研究的是与失稳断裂密切相关的第二阶段和第三阶段，第一阶段不做重点研究。在声发射的第二阶段中累积计数的增长速度整体呈线性趋势，这一阶段占整个采集过程的很大一部分。到了第三阶段后，刚进入该阶段的一段时间内，累积计数值的增长速度会迅速增加，声发射信号的活跃度大大增加;在进入该阶段一段时间后，累积计数值的增长速度和声发射信号的活跃度会出现短暂地降低，但是总体趋势还是在快速增加，最终导致试样断裂。

累积计数值在进入第三阶段后，其斜率呈现一种“高-低-高”的规律，这由图2(b),(d),(e)能够很明显地看出，其振铃计数与声发射信号活跃度都会呈现出类似的规律。这是因为在疲劳裂纹扩展过程中,振铃计数的表现规律与裂纹尖端能量的集中或释放有关。

2.2 声发射振铃计数率与力学参数的关系分析

由于声发射累积振铃计数能很好地描述整个疲劳裂纹扩展过程，为了能对疲劳损伤程度进行实时判定和预测，许多学者建立了声发射计数率dC/dN与应力强度因子幅值ΔK的函数关系[16]。

图3为6个试样的声发射计数率与应力强度因子幅值ΔK的自然对数值的关系曲线。

图3 Q345B钢材在不同应力比下,振铃计数率与应力强度因子幅值的关系

从图3能看出：① 声发射计数率与ΔK的自然对数值的关系不呈明显的线性关系，声发射数据分散性较大，主要影响因素有信号中夹杂着不可避免的噪声、传感器与试样的耦合情况、裂纹扩展中能量的积聚和释放等。② 在声发射累积振铃计数值进入第三阶段时，声发射计数率数据分散性很大，导致在用计数率表征疲劳损伤的过程中，第二阶段与第三阶段的转折点并不清晰，从而不容易判断出材料是否进入疲劳裂纹的失稳断裂阶段，不适用于预警疲劳断裂。

2.3 声发射计数率的离散系数对失稳状态的识别

2.3.1 声发射计数率的离散系数对疲劳损伤过程的描述

根据前面的研究可知,计数率数据在整个过程中分散性较大，但在刚进入第三阶段的一段较短的时间内，计数率数据出现相对收敛的特性，而在第三阶段内声发射振铃计数值，呈现出“持续高-持续低-持续低”的变化规律。根据声发射计数率数据离散程度的不同，笔者首次用计数率的离散系数来表征整个疲劳损伤过程。

离散系数是极差、平均差、方差或标准差等变异指标与算术平均数的比率，以相对数的形式表示变异程度，是测量数据离散程度的相对统计量，最常用的离散系数是用标准差来计算的，也称之为标准差系数Vσ。

(1)

在MATLAB中可以用标准差std(·)函数和平均值mean(·)函数，来间接求数据的标准差系数。

2.3.2 计数率的离散系数与应力强度因子幅值关系的分析

图4为计数率的离散系数与应力强度因子幅值ΔK的自然对数值的关系。

从图4(a),(b),(c),(d)中可以看出，ln(ΔK)分别在3.688,3.890,3.826,3.663,3.528附近时，计数率离散系数呈现出从分散性很大到一段时间内集中的趋势。通过观察累积计数图和计数率离散系数图(图2和图4),可以看出其在第二阶段与第三阶段的转折点处基本相同，而计数率的离散系数可以很清晰地表现这一特征。因此，计数率离散系数在第二阶段和第三阶段变化规律的不同与计数率离散系数的变化情况，可为声发射Q345B失稳断裂模式的识别提供依据。

图4的计数率离散系数的数据分散性很大，也没有集中的趋势，图2的累积计数值也不能明显地看出第二阶段与第三阶段的转折点，这可能是因为该试样一直在第二阶段并没有进入第三阶段。这也从侧面证明了计数率的离散系数在第二阶段和第三阶段的变化是不同的。

图4所示的声发射振铃计数率离散系数的变化情况表现在累积计数值表征疲劳裂纹扩展的第二阶段的数据分散性大与刚进入第三阶段的数据会有集中趋势这两个方面，这一变化情况可通过声发射振铃计数率离散系数的方差来反映，即离散系数数据分散性大其方差就大，反之，其方差就小。表1为图4对应试样的声发射振铃计数率离散系数的方差。

图4 Q345B钢材在不同应力比下,计数率的离散系数与应力强度因子幅值的关系

试样第二阶段内第二、三阶段交界处第三阶段内最大值最小值平均值转折点值最大值最小值R=0．1，试样10．19720．03070．07370．01090．07310．0041R=0．1，试样26．86320．18362．49810．06941．18550．0130R=0．15，试样10．82840．05400．19620．02150．10470．0125R=0．15，试样24．91070．04860．69230．00331．72700．0023R=0．2，试样10．05630．00750．01620．00240．04580．0009

从表1可看出，累积计数值所表征的第二阶段声发射振铃计数率离散系数方差值的最小值到第二、三阶段交界点处的转折点值，会发生明显地跳变(向下跳变60%以上)，且保持较低的数值运行，这是因为第三阶段内的最大值比第二阶段的最大值小60%以上。因此，AE振铃计数率离散系数的方差值也可作为声发射Q345B失稳断裂模式的识别参数。

2.3.3 验证计数率的离散系数与力学参数的关系

柴孟瑜等[5]通过对Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射研究，发现声发射参数在第二及第三阶段的转折点比线弹性断裂力学定义的转折点要提前，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。

为了验证上面的结论和用声发射计数率的离散系数在疲劳裂纹扩展过程中的规律，现在继续用应力比为0.15的两个试样做全程的疲劳拉伸试验，即把试样全拉至断裂。这两个试样的计数率离散系数与应力强度因子幅值ΔK的自然对数值的关系，如图5所示。

图5 Q345B钢材的声发射计数率的离散系数与应力强度因子幅值的关系

通过这两个试样的验证性试验，可以很明显地看出,计数率的离散系数能很好地识别出裂纹扩展从第二阶段到第三阶段的变化规律。

3 结论

声发射累积计数是振铃总计数的变化趋势，是针对疲劳裂纹扩展的整个过程进行描述的，以累积计数为基础研究声发射计数率,发现其数据分散性很大，故其无法对疲劳损伤进行有效地预测，也不适用于失稳断裂模式的识别。笔者建立的Q345B钢材声发射计数率的离散系数与应力强度因子幅值的关系，可为利用声发射技术作为Q345B钢材失稳断裂模式的识别提供预警依据。

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