基于声发射技术的金属高频疲劳监测

摘要：本文采用声发射技术监测高频疲劳条件下，金属材料裂纹的扩展。详细介绍了如何运用软、硬件处理的方法，从采集到的信号中分离出裂纹扩展的声发射信号。从处理后的声发射信号与观察得到的裂纹扩展对比来看，声发射参数的变化能够有效地反映材料疲劳裂纹扩展的过程，并且能更早地发现试样内部微小裂纹的变化。通过试验，得出了紧凑拉伸试样在裂纹稳定扩展阶段声发射信号能量率与应力强度因子幅值之间的关系式。
关键词：声发射；高频疲劳；裂纹扩展；信号分析
中图分类号：TG141

1引言
声发射已成为材料科学与工程方面研究的一个热点课题，取得了许多有意义的成果[1-4]，尤其是对那些经典疲劳研究方法难以解决的问题，例如对细微裂纹的活动研究，提供了一种新的研究手段。人们也尝试过声发射技术在材料疲劳监测方面的研究，找出了声发射参数与材料的裂纹长度及应力强度因子之间的关系。但前人一般都是用液压疲劳试验机做低频疲劳试验[3-6]，这主要原因是声发射检测仪器非常灵敏，在材料的试验过程中，易受到试验机激振及夹具碰撞等因素的干扰，难以区别真实的裂纹扩展信号和各种噪声信号。本文尝试运用声发射信号处理技术进行金属材料在电磁激振高频疲劳下的裂纹扩展研究。
在材料的疲劳研究中，疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系一般采用半经验的Paris公式[7]：
(1)
式中C1和n是由材料决定的常数，为应力强度因子幅度（），a为裂纹长度，N为疲劳的循环次数。
在疲劳裂纹扩展的声发射研究方面，前人研究了低频循环下过阈值的声发射振铃计数与应力强度因子之间的关系[9-12]，并且建立了与公式（1）相类似的关系：
(2)
式中，H表示声发射信号的总计数；C2和m是材料性质相关的常数。
从建立声发射参数与应力强度因子幅度方程来看，使用声发射信号的能量值更能反应在疲劳载荷作用下，裂纹扩展的状况。所以可将式（2）改写成下式：
(3)
式中，E表示声发射信号的累计能量；C3和是与材料性质相关的常数。用能量来研究裂纹扩展的规律有两个很大的优点：其一是受传感器与试件之间的耦合状况影响较小；其二是受设置的阈值影响较小。所以在本文研究中，采用声发射信号的能量建立与裂纹扩展之间的关系，还可以通过声发射检测结果对构件的疲劳裂纹扩展速率和剩余疲劳寿命进行预测[5''10]。
* 国家自然科学基金（项目编号：50005006）和北京市自然科学基金重点项目（项目编号：3011001）资助。
2试验研究
2.1 试样
试验的紧凑拉伸试样的材料选用16MnR钢，该材料为低合金高强度容器专用钢，材料的热处理状态为热轧供货状态。三块试样相同。材料的化学成分和主要机械性能见下表：
表1材料的化学成分及机械性能(室温)
Table 5-1. Material composition and mechanical properties at room temperature
材质
C
Wt.%
Si Wt.%
Mn Wt.%
P Wt.%
S Wt.%
σ0.2
MPa
σb
MPa
δ5
%
AKV
J
复验值
0.15
0.34
1.37
0.011
0.015
353
513
30
129
紧凑拉伸试样的尺寸和加工精度按照美国材料试验协会标准ASTM E399-90的要求加工，如图1所示。按标准的规定，试样的厚度，本文试样取W=50.8mm，B=20mm，并用线切割技术预制了一条长为2.5mm的人工裂纹。
2.2 试验机
疲劳试验机使用的是长春试验机所制造的PLG-100C高频拉压疲劳试验机，该机器的载荷与其试样保护都采用微机控制。疲劳试验中应力循环比R的值为0.1。试样是通过销轴、U形夹具、压紧环和疲劳机相连接。
2.3 声发射监测系统
试验中安装了四个声发射传感器，分别编号为S1、S2、S3和S4。S1和S2号传感器安装在试样预制裂纹的两侧对称的位置，如图1所示。传感器S3安装于U形夹具上，S4安装于试验机的压紧环上，如图2所示。
S3和S4传感器的装设有两个目的，第一，为滤波和辨识噪声的需要，即起警戒传感器的作用；第二，为实现间接测量的需要，即传感器不直接耦合在被测的试样上，实现间接测量。
声发射信号经传感器接收送至前置放大器，再进入主放大器进一步放大和信号调理，调理后的信号进入主处理机采集和分析。
声发射监测系统的传感器、放大器等硬件的选用以及软件参数的设置都是根据试验的实际状况做出。传感器S1和S2选用的是20k～1.0MHz的宽带传感器，分别为德国Vallen公司和日本Fuji公司生产。选用宽带传感器的目的，是为了获得更丰富的声发射信号，便于后面的声发射信号分析和处理。传感器S3和S4选用的广州声华公司生产的R15型高灵敏度谐振式传感器，其频率范围是100kHz～400kHz。此处选用窄带谐振式传感器的目的是保证传感器的高灵敏度，如果采用同类的宽带传感器监测的效果将差一些。四个前置放大器采用的带宽跟传感器的带宽一致，前置放大器增益为34dB。撞击定义时间设为500(s，采样长度为4k。试验前声发射仪各通道的灵敏度都经过仔细校准，以保证仪器的正常可靠工作。声发射仪选用的是广州声华公司的WAE2002型多通道全波形系统。
2.4 外触发器
在加载循环过程中，在低应力时裂纹闭合，在高应力时裂纹张开并扩展。裂纹扩展释放出应变能，也就出现声发射信号。在裂纹闭合时，由于裂纹表面的摩擦而产生噪声。要获得裂纹扩展时的声发射信号，必须要将裂纹闭合时的声发射信号分离出去。为了尽可能使采集到的信号噪声少一些，在本实验中专门设计了一个外触发器。外触发器是将疲劳试验机测力计输出的电压与参考电压（阈值电压）进行比较，若高于这个阈值电压的信号将产生脉冲电平，使采集卡触发并开始采集信号。阈值电压选用的是85％的最大疲劳载荷时测力计的输出电压。这样处理以后，在所采集到的信号中，裂纹扩展的声发射信号比例大大提高，而且减少了采集数据的量。
图2 疲劳试验及声发射监测系统的布置图
2.5 试验数据采集
疲劳试验机开始加载后，先进行噪声信号的测量，此时没有裂纹扩展信号，所采集到的信号均为各种噪声信号，以此时的信号为噪声的样本信号，找出噪声信号的特征，从所采集到的信号中剔除它们。
通过分析和前几个类似试样的经验，声发射仪正式开始采集是在疲劳试验开始后1小时进行，其目的是为了减少数据量，因为在本文试验条件下，前1小时不会出现疲劳破坏。在这段时间内先进行背景噪声的测量，再根据检测情况设置好仪器各种参数。两台计算机的系统时间在试验前应仔细校对，以便两者能在统一的时间下进行数据比较。以下所述及作图用的时间都是从声发射信号开始采集时算起。
3裂纹扩展信号的识别方法
在本文的试验中，除了裂纹扩展的声发射信号外，还有以下噪声信号：第一种是内部电子器件，传输电缆等产生的电磁噪声；第二种是外部的干扰噪声，这类噪声较多，主要有：疲劳机电磁激振产生的振动噪声，试样与夹具连接的销轴的摩擦噪声，裂纹闭合时的摩擦噪声。下面的部分将讨论减少噪声的措施和噪声的分离与排除，最终得到裂纹扩展的声发射信号结果。
3.1 硬件方法降噪
疲劳机的激励共振频率较低，所以外界机械振动产生的较高幅度的噪声信号，其频率相对较低，一般在20kHz以下。所以在传感器、前置放大器以及主放大器内的滤波器都是20kHz以上的高通器件，这样高幅度的振动信号在所采集的信号中不会出现。但由于声波传播的复杂性，以及各种色散效应，采集的信号还是含有共振噪声信号。
另一个硬件降噪的方法，如前所述采用外触发器，让采集卡只在试样受拉伸时采集数据。这时在采集的信号中裂纹扩展信号所占的比例就大得多。如图3所示。我们只需采集图中阴影部分裂纹在高应力作用下扩展时的信号。
3.2 信号的软件处理和辨识
对于仪器内部的电磁噪声，跟疲劳试验的外界机械噪声相比，这类噪声的幅度相对较小，而且这类噪声一般具有高斯白噪的特点，使用小波降噪方法，可以大幅度地减少这些噪声的干扰。
裂纹闭合的摩擦噪声和电磁噪声通过上述的硬件方法和小波去噪的方法基本消除，剩下的主要是机械共振产生的机械振动噪声以及销轴与试样在受交变力作用下的撞击声发射信号。从图2可见，传感器S3和S4起到警戒传感器的作用。由于机器共振产生的声发射信号，四个传感器都能接收到，而且其信号的类型和频谱特征也应基本相同，由于S3和S4是灵敏度更高的窄带谐振传感器，所以这两个传感器接收到来自机器共振声信号的幅度应大一些。机器共振信号要根据其特点：首先，其幅度一般不超过0.6伏；其次，这类信号四个传感器都能接收到，其中S3和S4的信号幅度在传播中没有明显的衰减而变小的现象，而是跟S1和S2信号幅度差不多或更大一些，这说明信号并非来自试样本身。有了这两个特征，就可以用S3和S4为参考信号，逐个对比S1和S2采集到的信号，将符合这两个特征的信号去掉，也就除去了由于机器振动产生的噪声。
销轴与试样的摩擦和撞击产生的声发射噪声信号排除是个难题。在背景噪声测量中，同样可以得到它们的声发射信号。图4给出了试样与夹具间碰撞产生信号的频谱图。从图中可以看出，信号的频率范围较宽，最大值出现在60kHz处，且低于100kHz的频率分量占相当大的一部分。而对于金属
图5 裂纹扩展的声发射信号及其频谱图
裂纹扩展信号，人们做过很多次的实验表明，其主要的频率范围在100kHz至550kHz之间，在
这个频带范围内聚积了声发射裂纹扩展信号的绝大部分能量[13]，是这类噪声信号的突破口。试样中的裂纹扩展声发射信号，从图5中看出，其频率分量主要集中于100kHz以上，而且其幅度远较低频分量信号大（对比图4）。
至此我们已经描述了各种干扰噪声的特点和减少它们影响的方法，通过处理就可以从所采集到的声发射信号中分离出噪声，获得较为"干净"的裂纹扩展声发射信号。
4试验结果分析
裂纹的扩展长度与循环时间的人工测量结果如图7所示。人工测量得出的方法是：试验前在试样的两表面以人工预制裂纹（线割2.5mm）尖端为起点，每隔0.5mm划上刻度线，试验过程中，观测人员借助放大镜读出裂纹扩展的长度值，取两表面读数的平均值为测量结果。从图可看出，在声发射信号采集40至41分钟时，开始观察到裂纹的扩展，42到67分钟之间裂纹呈缓慢地扩展状态，在67分钟左右突然出现快速扩展的趋势。
图6给出了声发射信号的撞击数率与试验时间的关联图。从图6可以看出声发射信号的变化规律与实测裂纹扩展的变化规律相类似，也就是说声发射信号的变化反映出了高背景噪声下疲劳裂纹的变化。图6中，在38到41分钟，以及65至70分钟时声发射的撞击数率有着非常明显的增大。更值得注意的是，在图6的第38分钟时，声发射撞击数率已经有了很大的变化，说明此时试样内部有大量的声发射事件发生，而在图7的相应时间点没有任何可见变化。声发射信号说明此时材料内部有微观起裂或裂纹扩展，它的发现要明显早于试样表面的宏观裂纹变化。所以说用声发射监测材料的高频疲劳是完全可行的，而且能及时反映出材料内部疲劳损伤的变化。
在引言部分讨论过，可以建立声发射参数与应力强度因子幅值之间的关联，而且提出用能量的表示方法更能反应在疲劳载荷作用下裂纹扩展的状况。为此将声发射信号分析处理后获得的声发射能量与疲劳循环次数的关系做成图8，图中曲线是由计算机采集处理的声发射信号按3.2节方法进行处理后得到的声发射能量曲线。
从图8看出，在循环次数为以前，声发射信号的累计能量很小，相对应的应该是裂纹未发生扩展的阶段（或称第一阶段），在循环次数为至之间声发射能量处于稳定的缓慢增加阶段（或称第二阶段），当循环次数超过以后，声发射能量呈现快速增加的趋势（或称第三阶段）。但声发射能量变化的拐点，总是先于人工观测到的裂纹变化，这说明声发射技术的灵敏度高，由此也可说明，用声发射技术能监测到材料内部裂纹的活动情况。同样对于本试验材料的起裂点，声发射能量上的判断为496500次循环左右，早于人工用放大镜观察到的520000次循环左右。
图7 裂纹扩展长度随循环时间的变化 图8 声发射总能量随循环次数的变化图
对于张开型疲劳裂纹扩展方式，考虑紧凑拉伸试样的几何效应和结构效应对应力强度因子的影响，其应力强度因子幅度可由相关公式计算得到[5]。我们还得到了如图8所示的声发射能量与循环次数的试验值，就可以求出式（3）中的与材料性质相关常数C3和。对于裂纹稳定扩展阶段，从上述试验的数据可计算出：C3=， =2.69。显然式（4）可以写成如下方程：
(5)
5结论
本文的声发射检测和分析技术，可以应用于高频疲劳试验机上金属试样裂纹扩展的监测，而且在复杂噪声背景下能够获得真正裂纹扩展的声发射信号。将声发射信号的能量与循环次数进行关联，能得到与人工观测的裂纹扩展相同的变化规律，但声发射方法更为灵敏，可监测到材料内部的微小裂纹的扩展，而这个扩展要早于人工观察到的裂纹变化。
根据本文提出的分析技术，还得到试样的声发射能量与疲劳循环次数以及应力强度因子之间的关系式：。按此公式，通过声发射信号能量的短时监测，可以在工程上对运转中的机械装备进行疲劳裂纹扩展和剩余疲劳寿命预测，但在疲劳寿命预测方面还需做进一步的实验研究。

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