歐陽(yáng)浩，石 健，張志魁，趙廣慧

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552)

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SUS304不銹鋼拉伸過(guò)程中的聲-熱像特征

歐陽(yáng)浩1，石 健1，張志魁2，趙廣慧1

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552)

測(cè)量了含有Ⅰ型裂紋的SUS304不銹鋼試樣的單軸拉伸過(guò)程中的塑性變形和斷裂。分析了裂紋尖端區(qū)域的塑性變形和斷裂過(guò)程。結(jié)果表明：SUS304的各向異性在斷裂階段對(duì)聲發(fā)射信號(hào)影響較大；紅外熱圖像中的溫度分布與塑性應(yīng)變率有關(guān)；通過(guò)聲發(fā)射參數(shù)和紅外熱圖像可以從微觀和宏觀兩方面分析裂紋尖端區(qū)域的塑性變形和斷裂。

塑性變形； 斷裂； Ⅰ型裂紋； 聲發(fā)射； 紅外圖像

1 引 言

聲發(fā)射是指材料因局部能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[1]。其形成機(jī)理是金屬材料受載后，由于材料局部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)的不均勻，使該區(qū)域所承擔(dān)的應(yīng)力高度集中，當(dāng)外部荷載增大到一定程度時(shí)，應(yīng)力高度集中區(qū)域的能量使材料缺陷部位產(chǎn)生屈服、塑性變形，并通過(guò)滑移、開裂等方式將多余的能量釋放，其中一部分是以應(yīng)力波形式快速釋放的彈性能。紅外熱技術(shù)的理論基礎(chǔ)是熱輻射和熱傳導(dǎo)理論[2-3]。金屬材料在塑性變形、裂紋生成擴(kuò)張過(guò)程中，有大量的塑性功耗散,同時(shí)伴隨熱量產(chǎn)生。紅外熱像儀是快速直觀測(cè)量物體溫度的有效工具，在相關(guān)領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用[4]。

近年來(lái)聲發(fā)射技術(shù)和紅外熱像技術(shù)比較多地應(yīng)用在金屬材料的塑性變形和斷裂研究中[5-8]。吳克勤[9]、耿榮生[10]利用聲發(fā)射技術(shù)分別對(duì)鈦合金材料和某飛機(jī)部件進(jìn)行了研究。YUE Ya-lin[11]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)金屬焊接接頭疲勞裂紋進(jìn)行了研究。這些報(bào)告對(duì)金屬材料拉伸斷裂及疲勞斷裂的聲發(fā)射特征均作了詳細(xì)報(bào)道。Jalaj Kumar[12]等通過(guò)紅外圖像對(duì)金屬材料試樣在拉伸變形過(guò)程中的表面溫度進(jìn)行了測(cè)量，利用表面溫度變化曲線，確定光滑和缺口試樣的彈性和非彈性區(qū)域。何浩禮[13]等通過(guò)紅外熱像儀研究了PA6標(biāo)準(zhǔn)試樣在不同加載速率下，最大紅外輻射溫度與塑性功之間的關(guān)系，明確了塑性功轉(zhuǎn)化為紅外輻射能與載荷速率的關(guān)系。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者同時(shí)使用聲發(fā)射和紅外熱像儀對(duì)塑性變形-斷裂的相關(guān)研究報(bào)道并不多。Wu等[14]同時(shí)使用聲發(fā)射和紅外熱像儀研究了巖石的非連續(xù)斷層破壞，分析了非連續(xù)斷層的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及聲發(fā)射場(chǎng)之間的關(guān)系，指出了聲發(fā)射與實(shí)際試驗(yàn)中的熱紅外輻射溫度具有類似的時(shí)序變化階段和空間演化特征。Zhao[15]等用自行設(shè)計(jì)的多系統(tǒng)、同步監(jiān)測(cè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，對(duì)沖擊傾向性煤體的破壞過(guò)程進(jìn)行了聲熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比研究了不同監(jiān)測(cè)方式下,沖擊傾向性煤體中的同一破壞事件的響應(yīng)速度以及各自響應(yīng)的靈敏度，獲得了沖擊傾向性煤體的固有物理力學(xué)特性。E.Z. Kordatos[16-17]等同時(shí)使用聲發(fā)射和紅外熱像研究了金屬陶瓷復(fù)合材料斷裂過(guò)程的裂紋擴(kuò)張速率。徐長(zhǎng)航[18]等利用聲發(fā)射儀研究了鋼制試件拉伸斷裂及疲勞開裂時(shí)聲發(fā)射特征，并將聲發(fā)射信號(hào)與紅外熱圖像進(jìn)行了比較，指出了聲發(fā)射信號(hào)、紅外圖像與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系。

SUS304不銹鋼由于具有良好的性能而被廣泛應(yīng)用于制作耐腐蝕和成型性的設(shè)備和構(gòu)件。對(duì)于SUS304不銹鋼在生產(chǎn)、加工以及使用過(guò)程中的變形-斷裂問(wèn)題，也受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。同時(shí)使用聲發(fā)射特征參數(shù)和紅外熱像，對(duì)SUS304材料的塑性變形-斷裂過(guò)程的研究現(xiàn)無(wú)相關(guān)報(bào)道。本研究利用紅外熱像儀和聲發(fā)射儀，對(duì)含有I型裂紋的SUS304不銹鋼平板試樣，在不同應(yīng)變率下進(jìn)行了單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，通過(guò)聲發(fā)射特征參數(shù)和紅外熱圖像對(duì)裂紋尖端的塑性變形-斷裂進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試樣及實(shí)驗(yàn)方法

試樣為3mm厚的SUS304不銹鋼板材。圖1為試樣尺寸。試樣中間用線切割制作了寬度為0.3mm的裂紋?？紤]到材料各向異性對(duì)試樣的影響，將試樣沿軋制方向(R試樣)和垂直軋制方向(T試樣)制成兩種平板試樣。實(shí)驗(yàn)拉伸速率為5mm/min(低速)和50mm/min(高速)。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Specimen Dimension

本研究的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置由聲發(fā)射儀、紅外熱像儀、熱電偶構(gòu)成。聲發(fā)射儀采用美國(guó)PAC公司的LOCAN320型聲發(fā)射儀，具體配置為:諧振式探頭R15, PAC專用前置放大器，PCI-2采集卡。前置放大器門檻電壓值設(shè)為40dB，采樣頻率為2MHz。AE探頭涂上耦合劑，然后用膠布固定在試樣上。AE探頭位置如圖3所示。為消除初始拉伸時(shí)夾頭與試樣摩擦產(chǎn)生的噪音，實(shí)驗(yàn)前施加了0.5kN的預(yù)加載。

圖2 聲發(fā)射-紅外熱測(cè)量裝置Fig.2 AE and TIR measuring units

圖3 熱電偶和AE探頭位置Fig.3 Positions of the thermocouples and AE sensor

紅外熱像儀為AVIO TVS-8000MKⅡ型。該熱像儀采用測(cè)量波段為4～4.6μm的320×240像素斯特林循環(huán)制冷的混成二維InSb傳感器，溫度分辨率為0.25℃，測(cè)溫范圍-40～320℃，最大幀速60幀/秒。為標(biāo)定紅外熱像儀的目標(biāo)發(fā)射率，本研究用熱電偶顯示的溫度調(diào)整目標(biāo)發(fā)射率，熱電偶的位置如圖3所示。當(dāng)熱電偶所示的四點(diǎn)的溫度值與紅外熱像儀顯示的四點(diǎn)的溫度值基本一致時(shí)，此時(shí)紅外熱像儀顯示的目標(biāo)發(fā)射率為測(cè)量時(shí)的目標(biāo)發(fā)射率。

3 結(jié)果與分析

3.1 AE振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力

圖4、5為應(yīng)力、振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系圖。根據(jù)應(yīng)力-時(shí)間曲線將拉伸斷裂過(guò)程分為三個(gè)階段。第Ⅰ階段為彈性階段。此階段內(nèi)隨著載荷的增加，檢測(cè)到AE振鈴計(jì)數(shù)。這是因?yàn)橛捎诖嬖陬A(yù)制裂紋，試樣在整體屈服前，裂紋尖端已進(jìn)入屈服，因而檢測(cè)到了聲發(fā)射信號(hào)。第Ⅱ階段為屈服、強(qiáng)化階段，此階段內(nèi)隨著載荷的增加，試樣整體發(fā)生了塑性變形，而AE振鈴計(jì)數(shù)卻明顯少于第Ⅰ階段。第Ⅲ階段為斷裂階段，此階段內(nèi)隨著載荷的降低，裂紋開始擴(kuò)展，出現(xiàn)了連續(xù)型AE信號(hào)，且振鈴計(jì)數(shù)明顯多于第Ⅱ階段。通過(guò)對(duì)比圖4、5中的AE信號(hào)，在不同拉伸速度下的第Ⅰ、Ⅱ階段內(nèi)，AE信號(hào)變化基本相同，表明彈性、屈服、強(qiáng)化階段中，材料的各向異性與拉伸速度對(duì)此過(guò)程沒(méi)有明顯的影響。在圖4、5的(a)圖中，第Ⅲ階段AE信號(hào)主要集中在該階段的后期；(b)圖中，AE信號(hào)相對(duì)集中于該階段的前半部分。表明由于R、T試樣的晶粒方向不同，對(duì)于裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生較為明顯的影響。

圖4 5mm/min拉伸速率下應(yīng)力、振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系圖 (a) R 試樣； (b) T 試樣Fig.4 Relation between stress, AE counts and time at 5mm/min (a) Specimen R; (b) Specimen T

圖5 50mm/min拉伸速率下應(yīng)力、振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系圖 (a) R 試樣； (b) T 試樣Fig.5 Relation between stress, AE counts and time at 50mm/min (a) Specimen R; (b) Specimen T

圖6 5mm/min拉伸速率下的AE能量計(jì)數(shù)、溫度與時(shí)間的關(guān)系圖 (a) R 試樣； (b) T 試樣Fig.6 Relation between AE energy, temperature and time at 5mm/min (a) Specimen R; (b) Specimen T

3.2 AE能量計(jì)數(shù)與表面溫度

圖6、7為AE能量計(jì)數(shù)、熱電偶溫度與時(shí)間關(guān)系圖，其中熱電偶溫度為相對(duì)于初始狀態(tài)的“相對(duì)溫度”。在第I階段內(nèi)試樣有少量的能量計(jì)數(shù)出現(xiàn)，四個(gè)測(cè)點(diǎn)顯示出試樣表面溫度降低，這是由于金屬材料的熱彈性效應(yīng)作用的結(jié)果。在第Ⅱ階段內(nèi)AE能量計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)與振鈴計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)相同，高速下的AE能量計(jì)數(shù)比低速下的AE能量計(jì)數(shù)多。此階段中，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度以相同的趨勢(shì)緩慢增加，各點(diǎn)的溫差不大，其中高速下的溫度上升速度比低速的試樣快；溫度與拉伸速率成正相關(guān)。第Ⅲ階段內(nèi)AE能量計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)與振鈴計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)相同。四個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度出現(xiàn)變化，1點(diǎn)的溫度高于其它三個(gè)點(diǎn)，2、4點(diǎn)溫度基本相同，3點(diǎn)溫度最低。表明離裂紋尖端越近，溫度越高。低速下各測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)與高速下溫度變化趨勢(shì)相同。

3.3 紅外熱圖像

圖8、9分別為低速和高速拉伸時(shí)，R試樣的紅外熱圖像。圖(a)為屈服時(shí)的紅外熱圖像，其中裂紋尖端以及與拉伸方向夾角約為±45°的方向上出現(xiàn)了很小的溫度變化。圖(b)為強(qiáng)化階段中某時(shí)刻的紅外熱圖像。低速(圖8)時(shí)塑性變形區(qū)域以及裂紋尖端部分溫度差別不大；高速(圖9)時(shí)裂紋尖端以及與拉伸方向夾角約為±45°的區(qū)域內(nèi)的溫度明顯高于其它區(qū)域，且溫度比低速拉伸時(shí)的溫度高。圖(c)為載荷最高時(shí)的

紅外熱圖像。此時(shí)紅外熱圖像中裂紋尖端的溫度最高，且裂紋尖端區(qū)域的溫度分布與其它部分明顯不同；高速時(shí)顯示的溫度變化區(qū)域比低速時(shí)的變化區(qū)域大。圖(d)為裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的紅外熱圖像。紅外熱圖像與金屬內(nèi)部的缺陷、裂紋及擴(kuò)展產(chǎn)生的應(yīng)力分布有密切的關(guān)系，通過(guò)溫度的變化可以觀察出裂紋的形狀、裂紋擴(kuò)展的過(guò)程；低速和高速下的紅外圖像除了溫度有差別外，溫度的分布、裂紋的形狀和擴(kuò)展過(guò)程基本形同。由于T試樣的紅外熱圖像與R試樣的紅外熱圖像基本相同，因此在此沒(méi)有給出T試樣的紅外熱圖像。

圖8 R試樣在拉伸速率為5mm/min下的紅外圖像Fig.8 Thermal images of specimen R at 5mm/min

圖9 R試樣在拉伸速率為50mm/min下的紅外圖像Fig.9 Thermal images of specimen R at 50mm/min

3.4 結(jié)果分析

當(dāng)載荷對(duì)物體做功時(shí)，由于晶粒的變形以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、滑移變形、孿晶變形運(yùn)動(dòng)[11]等，使各晶粒的內(nèi)能和動(dòng)能將發(fā)生相應(yīng)的改變，其中一部分能量以熱、聲發(fā)射等形式耗散掉。因此通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)和紅外圖像可對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

在拉伸的彈性階段內(nèi)，SUS304有裂紋試樣隨著載荷的增加，晶內(nèi)產(chǎn)生位錯(cuò)，且裂紋尖端局部區(qū)域由于應(yīng)力集中造成該區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入或超過(guò)了屈服，因此該階段內(nèi)有彈性應(yīng)變能和塑性應(yīng)變能；由于紅外圖像中溫度基本不變，所以此階段的聲發(fā)射信號(hào)主要是彈性應(yīng)變能的聲發(fā)射信號(hào)。

屈服時(shí)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量計(jì)數(shù)增加，各測(cè)點(diǎn)溫度開始上升，紅外熱圖像發(fā)生顯著變化，表明此時(shí)彈性應(yīng)變能達(dá)到了最大，而塑性應(yīng)變能開始增大，應(yīng)變能開始熱量損耗。因此通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)以及紅外溫度的變化可以對(duì)材料屈服進(jìn)行相應(yīng)分析。

強(qiáng)化階段中聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)減少，試樣溫度上升，表明試樣的應(yīng)變能中彈性應(yīng)變能較少；而塑性應(yīng)變能逐漸增多；此階段中有高能量的突發(fā)信號(hào)出現(xiàn)是由于當(dāng)晶內(nèi)發(fā)生位錯(cuò)堵塞時(shí)，需要更大的載荷驅(qū)動(dòng)堵塞的位錯(cuò)堆，因此會(huì)有高能量的彈性應(yīng)變能釋放。因此可以通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度對(duì)晶粒的微觀變形和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析與判斷。

斷裂過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)再次增加的同時(shí)，裂紋尖端溫度急劇升高，高溫區(qū)域隨著裂紋擴(kuò)展變大。表明開裂、擴(kuò)展過(guò)程中隨著應(yīng)變能減少的同時(shí)耗散的聲發(fā)射和熱能達(dá)到最大。因此通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)和紅外溫度的變化可以對(duì)裂紋的開裂、擴(kuò)展及裂紋尖端的塑性變形區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)SUS304不銹鋼在拉伸斷裂過(guò)程中的力學(xué)行為，利用聲發(fā)射儀和紅外熱像儀對(duì)含有Ⅰ型裂紋的試樣進(jìn)行了單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

1.SUS304不銹鋼的加載速率對(duì)聲發(fā)射信號(hào)影響不大；各向異性在彈性、屈服、強(qiáng)化階段對(duì)聲發(fā)射信號(hào)影響不大，但在斷裂階段會(huì)有明顯不同；加載速率對(duì)溫度有較大影響，各向異性對(duì)溫度影響較小。

2.紅外熱圖像中的溫度分布和變化可以清晰地反映出材料變形-斷裂過(guò)程中的宏觀過(guò)程；聲發(fā)射特征信號(hào)能夠顯示出材料內(nèi)部的變化過(guò)程。因此，通過(guò)聲發(fā)射特征信號(hào)和紅外熱圖像可以對(duì)材料塑性變形、裂紋的生成、擴(kuò)張及斷裂過(guò)程進(jìn)行宏觀與微觀分析。

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AE and Thermographic Characteristics of SUS304 during Tensile Process

OUYANG Hao1， SHI Jian1， ZHANG Zhikui2， ZHAO Guanghui1

(1.Mechatronic Engineering College of Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2.China Petroleum Engineering Huabei Company, Renyue 062552, China)

Plastic deformation and fracture with Ⅰ-type crack of SUS304 specimens were measured by acoustic emission (AE), infrared thermography (TIR) and thermocouples during uniaxial tension process. Plastic deformation and fracture process around crack tip were discussed by AE parameters, TIR images and temperature distribution. The experimental results show that: the anisotropy of SUS304 has great influence on AE signals during fracture stage. The temperature distribution of TIR image is related to plastic strain rate. The plastic deformation and fracture of the crack tip region can be analyzed from microscopic and macroscopic aspects by acoustic emission parameters and infrared thermal image.

plastic deformation； fracture； Ⅰ-type cracks； acoustic emission； TIR images

1673-2812(2017)02-0316-05

2015-11-02；

2016-03-07

石油與天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(OGE201402-03)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11102173)和(51134004)

歐陽(yáng)浩，碩士研究生，主要從事固體力學(xué)及無(wú)損檢測(cè)方面研究。E-mail：oyhvbest@126.com。

石 健，副教授，E-mail:jianshia99@aliyun.com。

TG142.1+5

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.030