王恩和，劉 鵬，李彩瑞，蔣 鵬

(1.安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院，合肥 230061；2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318)

近幾年，我國的壓縮天然氣(CNG)加氣站網(wǎng)絡(luò)正在逐步形成，存儲(chǔ)和運(yùn)輸壓縮天然氣的主要設(shè)備多為CNG高壓氣瓶組。CNG高壓氣瓶組主要采用4130X結(jié)構(gòu)鋼制成，受CNG介質(zhì)中所含的硫、硫化氫和水分等雜質(zhì)的影響，4130X鋼易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕失效，在交變應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)疲勞裂紋，進(jìn)而引發(fā)失效，甚至造成嚴(yán)重的后果。因此，采用無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行損傷特性監(jiān)測(cè)是材料損傷識(shí)別領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

聲發(fā)射(AE)技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有裂紋狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)的無損檢測(cè)技術(shù)，是承壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段[1]。4130X鋼屬于合金鋼，其應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值變化較明顯，裂紋開裂的敏感性較高，只采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)其進(jìn)行損傷特性分析有所不足，還需結(jié)合其他無損檢測(cè)手段來提高損傷特征的提取和識(shí)別能力。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)是一種非接觸式的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于材料應(yīng)變測(cè)量和裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)等方面[2-3]。

20世紀(jì)80年代，YAMAGUCHI等[4]最先提出DIC技術(shù)。近些年逐漸有學(xué)者將AE技術(shù)和DIC技術(shù)結(jié)合起來對(duì)不同材料的損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究，LU等[5-6]使用AE技術(shù)和DIC技術(shù)對(duì)巖石材料進(jìn)行了研究，通過對(duì)有預(yù)裂紋的砂巖梁試件的一系列彎曲試驗(yàn)，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋尖端的開裂過程和采集變形特征的目的；FARHIDZADEH等[7-8]使用AE技術(shù)和DIC技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了接收到的AE信號(hào)與DIC數(shù)據(jù)之間有很好的相關(guān)性。可以看出，DIC技術(shù)主要用于試件表面的應(yīng)變表征，AE則可以利用聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律來分析材料內(nèi)部的損傷演化規(guī)律[9-10]。將兩者結(jié)合使用，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)是材料損傷無損檢測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

筆者提出了基于DIC和聲發(fā)射技術(shù)的材料變形應(yīng)變狀態(tài)表征，開展了4130X鋼加載過程中的DIC和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，研究了應(yīng)變非均布變化參量與受載過程中損傷變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)進(jìn)行了損傷過程產(chǎn)生的聲發(fā)射特征信號(hào)的識(shí)別與表征。

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 變形不均勻程度表征

DIC的基本原理是使用CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程中的試件表面形變進(jìn)行拍攝，通過應(yīng)變分析預(yù)設(shè)計(jì)算區(qū)域，將目標(biāo)圖像與參考圖片最相關(guān)的點(diǎn)定義為同一點(diǎn)，并在試驗(yàn)中計(jì)算同一點(diǎn)在目標(biāo)圖像與參考圖片中坐標(biāo)的偏移量，得到該點(diǎn)的位移，再利用位移變化表征材料表面的應(yīng)變變化。DIC測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 DIC測(cè)量原理示意

為量化試樣表面變形不均勻程度，引入應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差作為材料損傷過程表面應(yīng)變及損傷的表征參量，能夠較好地反映數(shù)據(jù)離散程度[見式(1)]。設(shè)為各像素點(diǎn)應(yīng)變分布的平均值，其計(jì)算方法如式(2)所示。

(1)

(2)

式中：SD為應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差；εi為第i個(gè)像素點(diǎn)的應(yīng)變值；n為像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

1.2 試驗(yàn)材料及尺寸

試驗(yàn)材料為4130X鋼，其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度不小于930 MPa;剪切強(qiáng)度不小于785 MPa；標(biāo)距長度5倍直徑的伸長率不小于12%；斷面收縮率不小于50%；深2 mm U型缺口試件的沖擊吸收功不小于63 J；布氏硬度不大于229 HB。試件為板狀，具體尺寸如圖2所示。試件分為兩種，一種無預(yù)制缺陷，一種在試件中心處預(yù)制規(guī)格為0.4 mm×0.4 mm×2 mm(長×寬×深)，沿試件厚度方向貫穿的缺陷。

圖2 試件結(jié)構(gòu)示意

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及流程

拉伸斷裂試驗(yàn)采用島津AG-X型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為0.5 mm·min-1。在拉伸試件兩端分別固定兩個(gè)聲發(fā)射傳感器，試驗(yàn)分為2組，對(duì)有無預(yù)置裂紋的情況進(jìn)行對(duì)比分析，每組各2個(gè)，將試件在拉伸機(jī)上進(jìn)行單向拉伸直至最終拉斷，對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行DIC及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用PAC公司產(chǎn)的PCI-8系統(tǒng)，門檻為35 dB,前置放大器增益為40 dB，峰值定義時(shí)間(PDH)為300 μs，撞擊定義時(shí)間(HDT)為600 μs，撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)為1 000 μs，模擬濾波器上限為20 kHz，下限為400 kHz，采樣率為200萬次/s。Nano30型傳感器的頻率為150 kHz400 kHz，兩傳感器沿著試件中心線對(duì)稱放置，彼此相距60 mm，試驗(yàn)裝置及傳感器布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置及傳感器布置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 4130X鋼拉伸損傷DIC分析

圖4為拉伸過程中試件表面應(yīng)變?cè)茍D最大應(yīng)變、最小應(yīng)變以及平均應(yīng)變響應(yīng)曲線，根據(jù)曲線增長速度，結(jié)合拉伸過程中力學(xué)曲線大體劃分為I、II、III三個(gè)階段，即彈性階段(無明顯屈服階段)、強(qiáng)化階段和縮頸階段。其中紅色曲線對(duì)應(yīng)圖中紅色集中區(qū)域，即局部最大應(yīng)力處；黑色曲線對(duì)應(yīng)圖中紫色集中區(qū)域，即局部最小應(yīng)力處。隨著拉伸機(jī)行程不斷增加，最大應(yīng)變不斷增加，且各階段最大應(yīng)變?cè)鲩L速率排序?yàn)镮>II>III。這是由于試件不斷拉伸，試件內(nèi)部微損傷不斷積聚，逐漸形成微裂紋直至斷裂。

圖4 試件表面應(yīng)變?cè)茍D及最大、最小、平均應(yīng)變響應(yīng)曲線

圖5為拉伸過程中試件表面變形不均勻程度(SD)演化曲線，從圖中可以明顯看到階段III的SD明顯大于I,II的。圖6(a)(f)進(jìn)一步展現(xiàn)了曲線細(xì)節(jié)，觀察不同階段SD曲線在相同時(shí)間間隔(即ΔTA-C=20 s)內(nèi)的SD增量，帶預(yù)制缺陷試件的I,II,III階段ΔSD分別為0.000 245，0.000 903，0.00 445 4。無預(yù)制缺陷試件的I、II、III階段的ΔSD分別為0.000 022,0.000 90,0.011 23。3個(gè)階段的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)倍率關(guān)系，III階段的SD增量近似為II階段的10倍。同時(shí)提取3個(gè)階段局部細(xì)節(jié)(見圖6)，帶預(yù)制缺陷試件III階段的SD數(shù)值變化呈近似線性的增長趨勢(shì)，表明此時(shí)損傷在勻速形成，預(yù)制缺陷處的裂紋線性擴(kuò)展至失效，而無預(yù)制缺陷試件的III階段SD數(shù)值則呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢(shì)，表明損傷加速累計(jì)，試件處于塑性形變狀態(tài)直至失效。由此可見，以SD作為評(píng)價(jià)參量的DIC分析方法能夠較為準(zhǔn)確地表征材料損傷的變化趨勢(shì)。

圖5 試件表面應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差(SD)響應(yīng)曲線

圖6 試件表面應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差(SD)響應(yīng)曲線細(xì)節(jié)

2.2 4130X鋼拉伸斷口掃描電鏡分析

采用S-3400N型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行斷口掃描，圖7為試件斷口的微觀形貌。從圖7中可以看出無預(yù)制缺陷試件斷口明顯有大量韌窩，表明該斷口以塑性斷裂特征為主。帶預(yù)制缺陷試件的韌窩較淺，試件塑性相對(duì)較差，同時(shí)可以觀察到斷口處的微裂紋，呈現(xiàn)局部脆性斷裂特征。

圖7 斷口微觀形貌

2.3 4130X鋼拉伸損傷聲發(fā)射分析

針對(duì)上述兩種試件的拉伸斷裂過程，進(jìn)行聲發(fā)射(AE)參量經(jīng)歷分析，并引入載荷外參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，AE參量經(jīng)歷圖如圖8所示。由圖8(a)，(b)可以看出無預(yù)制缺陷試件在彈性及塑性的變形階段(階段Ⅰ，Ⅱ)均有聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)，這說明彈性變形階段，材料在內(nèi)部變形中仍存在少量不均勻變形，且隨著載荷增加，微損傷不斷累積[10]。觀察振鈴計(jì)數(shù)的累計(jì)，發(fā)現(xiàn)塑性變形階段計(jì)數(shù)呈現(xiàn)加速增大趨勢(shì)，這與SD參量分析一致。觀察帶預(yù)制缺陷的AE信號(hào)[見圖8(c)，(d)]，發(fā)現(xiàn)彈性及塑性階段的聲發(fā)射信號(hào)分布與無預(yù)制缺陷試件類似，但信號(hào)強(qiáng)度明顯增大，失效過程中也呈現(xiàn)出了明顯的裂紋擴(kuò)展的失效特點(diǎn)，并伴有中高幅值的聲發(fā)射信號(hào)[11]。從累積振鈴計(jì)數(shù)來看，3個(gè)階段的累計(jì)增大曲線較一致，這說明損傷的累計(jì)增大趨勢(shì)可近似為線性關(guān)系，這也與SD參量變化的結(jié)論相吻合。

圖8 試件的AE參量經(jīng)歷圖

由此對(duì)聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷趨勢(shì)及幅值進(jìn)行分析，無預(yù)制缺陷試件在彈性階段試件內(nèi)部因變形不均勻而產(chǎn)生的微損傷信號(hào)幅值為35 dB～40 dB，塑性變形階段的信號(hào)幅值有所增大，為40 dB50 dB。帶預(yù)制缺陷試件裂紋擴(kuò)展時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)幅值則明顯高于前兩類型，其幅值范圍基本分布于65 dB75 dB。由此可以看出，聲發(fā)射技術(shù)對(duì)于4130X鋼拉伸斷裂失效過程的損傷演化具有較高的敏感性，能夠得到裂紋擴(kuò)展時(shí)的特征信號(hào)，結(jié)合DIC的SD參量可以提高對(duì)損傷階段的表征準(zhǔn)確度，也能夠進(jìn)一步使不同損傷階段聲發(fā)射信號(hào)的特征提取更加精確，因此綜合使用聲發(fā)射特征參數(shù)變化和應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差SD來表征4130X鋼拉伸斷裂過程的損傷演化規(guī)律，具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果[12]。

3 結(jié)語

開展了兩種試件的4130X鋼拉伸加載DIC和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，提出了基于DIC技術(shù)的表面應(yīng)變不均勻狀態(tài)表征參量SD，該參量能夠有效表征4130X鋼的拉伸損傷狀態(tài)，SD數(shù)值越大，試件表面的局部應(yīng)變集中度越高，損傷程度越高。同時(shí)結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了兩種類型試件拉伸斷裂過程不同損傷階段的聲發(fā)射信號(hào)分布及強(qiáng)度變化規(guī)律，與SD分析結(jié)果相聯(lián)立，得到了彈性變形階段、塑性變形階段、裂紋擴(kuò)展階段的信號(hào)幅值。

由此可以看出，以SD參量為依據(jù)的材料拉伸斷裂過程損傷DIC監(jiān)測(cè)，能準(zhǔn)確反映試件的損傷變化規(guī)律，再結(jié)合聲發(fā)射的時(shí)域經(jīng)歷特征參數(shù)分析，可以較好地識(shí)別和評(píng)價(jià)4130X鋼拉伸斷裂的損傷演化規(guī)律。