声发射技术在金属疲劳断裂研究中的应用.pdf

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1、第42卷第6期化工机械735声发射技术在金属疲劳断裂研究中的应用4柴孟瑜”段权张早校(西安交通大学化学工程与技术学院)摘要介绍了疲劳和声发射的概念，详细综述了金属材料在疲劳和腐蚀疲劳过程中的声发射信号特征与声发射源机制，全面分析了疲劳过程中声发射信号的影响因素(应力比、加载频率、微观组织)并基于声发射信号对剩余疲劳寿命进行预测，同时指出了研究现状和存在的问题，并探讨了进一步研究的方向和思路。关键词金属材料腐蚀疲劳声发射无损检测中图分类号TQ050．4+l文献标识码A文章编号0254_6094(2015)06m735旬8疲劳是指在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作

2、用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。在金属材料的失效形式中，疲劳断裂是最常见的一种失效形式，占全部力学破坏的50％以上，它在工程实际中是由于在循环载荷的作用下，因为各种原因(如应力集中等)引起疲劳强度降低而萌生微裂纹，进而裂纹扩展导致最终的断裂失效¨工J。因此，为了早期发现金属结构中的疲劳裂纹、准确预测剩余疲劳寿命、防止疲劳断裂失效事故的发生，对金属结构的无损检测就显得非常重要¨1。声发射(AcousticEmission，AE)是指构件材料的某一局部受到外力或者内力作用发生形变时快速释放能量而随之发出瞬态应力波的现象。声发射技术是一种利用

3、电子仪器对声发射信号进行探测、记录、分析，并据此评价声发射源特征状态的无损检测技术Hj。与其他无损检测技术相比，声发射技术具有检测动态缺陷、连续、在线监测的优势，并且具有很高的灵敏度∞。，因此是实验和工程实践中监测金属材料疲劳损伤和失效过程的有效方法之一。笔者综述了国内外声发射技术在金属材料疲劳裂纹扩展和断裂失效过程中的应用，指出了目前存在的一些问题和难点，并对进一步的研究方向和思路进行了探讨和展望。1疲劳断裂过程中的声发射信号声发射技术应用于金属材料的疲劳断裂研究已有四十多年的历史。过去的四十多年里，声发射技术有了很大的发展和进步，对疲劳过程的研究也越来越深入。目前，已有的

4、研究主要集中在监测疲劳裂纹萌生和扩展过程中的声发射信号、确定疲劳过程中的声发射源及预测剩余疲劳寿命等方面。1．1利用声发射技术监测裂纹萌生裂纹的萌生意味着疲劳断裂失效的开始，声发射技术具有很高的灵敏度，利用声发射技术监测疲劳裂纹萌生对于寿命预测和失效预警具有重要意义。1974年，HarrisDO和DuneganHL利用声发射技术对7075一T6铝合金的疲劳裂纹扩展过程进行监测时发现，通过设置合理的模拟滤波器上下限和前置放大器增益，可以探测到低于10“英寸／循环次数大小的裂纹扩展速率∞o。此结果表明声发射技术是一种监测裂纹萌生的高灵敏度工具。随后，Houssny-EmamM和B

5、assimMN在4340钢裂纹萌生刚开始的时候，利用声发射技术来确定疲劳破坏的程度⋯。t国家重点基础研究发展计划项目(2015CB057602)。}}柴孟瑜，男，1990年9月生，博士研究生。陕西省西安市，7l0049。736化工机械2015年BassimMN等结合扫描电镜与声发射技术，即在轨道钢四点弯曲高周疲劳的实验中，当声发射事件第一次出现时就停止实验，使用扫描电镜观察裂纹源哺。。结果表明，裂纹在夹杂物附近产生，裂纹的长度只有0．009mm。该实验成功证明了声发射技术能够探测到裂纹的萌生。Mckei小anPc等使用不同类型的声发射传感器来探测裂纹萌生与扩展信号，结果表明每

6、一种类型的传感器获得的信号都是一致的，声发射技术能够有效地探测到开裂现象p。。AzadehK和MohammadM对7075铝合金的疲劳实验也得出了相同的结论。1⋯。可见，声发射技术的高灵敏性，使得通过声发射信号识别疲劳裂纹萌生得以实现。1．2声发射与疲劳过程的关联整个疲劳破坏过程包括裂纹萌生、稳态扩展和失稳断裂3个阶段，这3个阶段可由裂纹扩展速率dn／dⅣ与应力强度因子幅度△K的曲线上的3个区域来表示。为了更好地表征整个疲劳过程，理解金属材料疲劳断裂过程中的声发射源机制，建立声发射特征参数与疲劳过程的关联显得十分重要。最早MortonTM等在2024铝合金的疲劳裂纹扩展实验中

7、使用累积计数值来表征整个疲劳过程，并且累积计数率随裂纹扩展速率的增大而增大⋯1。KohnDH等将整个声发射过程进一步分为类似于疲劳过程裂纹萌生、稳态扩展和失稳断裂的3个阶段¨2【，研究表明，在疲劳开始的第一阶段和接近断裂的第三阶段，声发射率更高，而在第二阶段声发射率较低，并且这一阶段占据了绝大部分的疲劳寿命。MiuraS等分别在铝合金、钛合金和合金钢疲劳裂纹扩展的声发射研究中报道了相同的结果¨卜18J，且soboyejowO等认为累积计数值是对疲劳损伤最敏感的参数¨“。AhmedM在2024．T3铝合金