，，，，

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

近年來，隨著國民經(jīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)易受到破壞甚至發(fā)生斷裂而導(dǎo)致倒塌事故。根據(jù)相關(guān)材料的統(tǒng)計，由裂紋擴展導(dǎo)致鐵塔鋼結(jié)構(gòu)失效進而倒塌的事故占70%[1-2]。因此，對鐵塔鋼結(jié)構(gòu)的研究越來越受到關(guān)注。

在斷裂力學(xué)中，通常用裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強度因子幅值ΔK的關(guān)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(shù)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(xué)者[4-6]通過建立聲發(fā)射計數(shù)率dC/dN與應(yīng)力強度因子幅值ΔK的函數(shù)關(guān)系[7-8]，以期對疲勞損傷進行預(yù)測。在實際的應(yīng)用中，由于噪聲和其他因素的影響，聲發(fā)射計數(shù)率的數(shù)值變化范圍較大，因而使用該參數(shù)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(shù)率的離散系數(shù)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(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強度因子幅值的關(guān)系,為鋼材疲勞失效的模式識別提供依據(jù)。

1 試驗試樣及參數(shù)設(shè)置

1.1 試驗試樣

試樣選用的材料是鐵塔常用鋼材Q345B，根據(jù)標(biāo)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(shù)如圖1所示。

圖1 緊湊拉伸試樣尺寸示意

1.2 試驗設(shè)備及參數(shù)設(shè)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(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的，其是由4塊PCI-2采集卡組成的8通道全數(shù)字式聲發(fā)射測試系統(tǒng)。

在力學(xué)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(xiàn)不同應(yīng)力比(R=Pmin/Pmax),用三種應(yīng)力比分別對試樣進行加載，應(yīng)力比為0.1,0.15,0.2。在常溫下，控制每種應(yīng)力比的最大和最小載荷不變，改變應(yīng)力強度因子K進行試驗。在聲發(fā)射參數(shù)的設(shè)置中，調(diào)節(jié)前置放大器的增益為40 dB，經(jīng)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(jié)果及討論

2.1 聲發(fā)射累計計數(shù)表征疲勞損傷過程

從最早的MORTON T M等人[10-11]到現(xiàn)在的很多學(xué)者都研究過累積振鈴計數(shù)C和循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力強度因子幅值ΔK和循環(huán)次數(shù)N的數(shù)值，則可以建立ΔK和N的關(guān)系[12],而通過聲發(fā)射測試系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可建立累積振鈴計數(shù)C和循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系,通過兩對關(guān)系式，可以間接地建立累積振鈴計數(shù)C和應(yīng)力強度因子幅值ΔK的關(guān)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(shù)值c、聲發(fā)射累積計數(shù)值C與應(yīng)力強度因子幅值ΔK(MPa·m-1/2)的自然對數(shù)值在雙極性坐標(biāo)軸中的關(guān)系。

圖2中累積計數(shù)值在整個疲勞裂紋擴展過程中基本都呈現(xiàn)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(jié)果一致。文章主要研究的是與失穩(wěn)斷裂密切相關(guān)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(shù)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(nèi)，累積計數(shù)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(shù)值的增長速度和聲發(fā)射信號的活躍度會出現(xiàn)短暫地降低，但是總體趨勢還是在快速增加，最終導(dǎo)致試樣斷裂。

累積計數(shù)值在進入第三階段后，其斜率呈現(xiàn)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(shù)與聲發(fā)射信號活躍度都會呈現(xiàn)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(shù)的表現(xiàn)規(guī)律與裂紋尖端能量的集中或釋放有關(guān)。

2.2 聲發(fā)射振鈴計數(shù)率與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系分析

由于聲發(fā)射累積振鈴計數(shù)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(yù)測，許多學(xué)者建立了聲發(fā)射計數(shù)率dC/dN與應(yīng)力強度因子幅值ΔK的函數(shù)關(guān)系[16]。

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

圖3 Q345B鋼材在不同應(yīng)力比下,振鈴計數(shù)率與應(yīng)力強度因子幅值的關(guān)系

從圖3能看出：① 聲發(fā)射計數(shù)率與ΔK的自然對數(shù)值的關(guān)系不呈明顯的線性關(guān)系，聲發(fā)射數(shù)據(jù)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(shù)值進入第三階段時，聲發(fā)射計數(shù)率數(shù)據(jù)分散性很大，導(dǎo)致在用計數(shù)率表征疲勞損傷的過程中，第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)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(yù)警疲勞斷裂。

2.3 聲發(fā)射計數(shù)率的離散系數(shù)對失穩(wěn)狀態(tài)的識別

2.3.1 聲發(fā)射計數(shù)率的離散系數(shù)對疲勞損傷過程的描述

根據(jù)前面的研究可知,計數(shù)率數(shù)據(jù)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(nèi)，計數(shù)率數(shù)據(jù)出現(xiàn)相對收斂的特性，而在第三階段內(nèi)聲發(fā)射振鈴計數(shù)值，呈現(xiàn)出“持續(xù)高-持續(xù)低-持續(xù)低”的變化規(guī)律。根據(jù)聲發(fā)射計數(shù)率數(shù)據(jù)離散程度的不同，筆者首次用計數(shù)率的離散系數(shù)來表征整個疲勞損傷過程。

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

(1)

在MATLAB中可以用標(biāo)準差std(·)函數(shù)和平均值mean(·)函數(shù)，來間接求數(shù)據(jù)的標(biāo)準差系數(shù)。

2.3.2 計數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強度因子幅值關(guān)系的分析

圖4為計數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強度因子幅值ΔK的自然對數(shù)值的關(guān)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(shù)率離散系數(shù)呈現(xiàn)出從分散性很大到一段時間內(nèi)集中的趨勢。通過觀察累積計數(shù)圖和計數(shù)率離散系數(shù)圖(圖2和圖4),可以看出其在第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)折點處基本相同，而計數(shù)率的離散系數(shù)可以很清晰地表現(xiàn)這一特征。因此，計數(shù)率離散系數(shù)在第二階段和第三階段變化規(guī)律的不同與計數(shù)率離散系數(shù)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(jù)。

圖4的計數(shù)率離散系數(shù)的數(shù)據(jù)分散性很大，也沒有集中的趨勢，圖2的累積計數(shù)值也不能明顯地看出第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)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(cè)面證明了計數(shù)率的離散系數(shù)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(shù)率離散系數(shù)的變化情況表現(xiàn)在累積計數(shù)值表征疲勞裂紋擴展的第二階段的數(shù)據(jù)分散性大與剛進入第三階段的數(shù)據(jù)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(shù)率離散系數(shù)的方差來反映，即離散系數(shù)數(shù)據(jù)分散性大其方差就大，反之，其方差就小。表1為圖4對應(yīng)試樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)率離散系數(shù)的方差。

圖4 Q345B鋼材在不同應(yīng)力比下,計數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強度因子幅值的關(guān)系

試樣第二階段內(nèi)第二、三階段交界處第三階段內(nèi)最大值最小值平均值轉(zhuǎn)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(shù)值所表征的第二階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)率離散系數(shù)方差值的最小值到第二、三階段交界點處的轉(zhuǎn)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(shù)值運行，這是因為第三階段內(nèi)的最大值比第二階段的最大值小60%以上。因此，AE振鈴計數(shù)率離散系數(shù)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(shù)。

2.3.3 驗證計數(shù)率的離散系數(shù)與力學(xué)參數(shù)的關(guān)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(xiàn)聲發(fā)射參數(shù)在第二及第三階段的轉(zhuǎn)折點比線彈性斷裂力學(xué)定義的轉(zhuǎn)折點要提前，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)能夠提前預(yù)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(jié)論和用聲發(fā)射計數(shù)率的離散系數(shù)在疲勞裂紋擴展過程中的規(guī)律，現(xiàn)在繼續(xù)用應(yīng)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(shù)率離散系數(shù)與應(yīng)力強度因子幅值ΔK的自然對數(shù)值的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 Q345B鋼材的聲發(fā)射計數(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強度因子幅值的關(guān)系

通過這兩個試樣的驗證性試驗，可以很明顯地看出,計數(shù)率的離散系數(shù)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(jié)論

聲發(fā)射累積計數(shù)是振鈴總計數(shù)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(shù)為基礎(chǔ)研究聲發(fā)射計數(shù)率,發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)分散性很大，故其無法對疲勞損傷進行有效地預(yù)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(shù)率的離散系數(shù)與應(yīng)力強度因子幅值的關(guān)系，可為利用聲發(fā)射技術(shù)作為Q345B鋼材失穩(wěn)斷裂模式的識別提供預(yù)警依據(jù)。

[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(xué),2013.

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

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

[7] 汪文有,孔德連,許鳳旌.鋼結(jié)構(gòu)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(shù)大學(xué)學(xué)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(xué),2015.

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

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

[15] 余壽文,馮西橋.損傷力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

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