基于聲發(fā)射技術(shù)的金屬高頻疲勞監(jiān)測

基于聲發(fā)射技術(shù)的金屬高頻疲勞監(jiān)測

本文采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測高頻疲勞條件下，金屬材料裂紋的擴(kuò)展。詳細(xì)介紹了如何運(yùn)用軟、硬件處理的方法，從采集到的信號(hào)中分離出裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)。從處理后的聲發(fā)射信號(hào)與觀察得到的裂紋擴(kuò)展對(duì)比來看，聲發(fā)射參數(shù)的變化能夠有效地反映材料疲勞裂紋擴(kuò)展的過程，并且能更早地發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部微小裂紋的變化。通過試驗(yàn)，得出了緊湊拉伸試樣在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段聲發(fā)射信號(hào)能量率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值之間的關(guān)系式。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；高頻疲勞；裂紋擴(kuò)展；信號(hào)分析

1引言
聲發(fā)射已成為材料科學(xué)與工程方面研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題，取得了許多有意義的成果[1-4]，尤其是對(duì)那些經(jīng)典疲勞研究方法難以解決的問題，例如對(duì)細(xì)微裂紋的活動(dòng)研究，提供了一種新的研究手段。人們也嘗試過聲發(fā)射技術(shù)在材料疲勞監(jiān)測方面的研究，找出了聲發(fā)射參數(shù)與材料的裂紋長度及應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系。但前人一般都是用液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)做低頻疲勞試驗(yàn)[3-6]，這主要原因是聲發(fā)射檢測儀器非常靈敏，在材料的試驗(yàn)過程中，易受到試驗(yàn)機(jī)激振及夾具碰撞等因素的干擾，難以區(qū)別真實(shí)的裂紋擴(kuò)展信號(hào)和各種噪聲信號(hào)。本文嘗試運(yùn)用聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行金屬材料在電磁激振高頻疲勞下的裂紋擴(kuò)展研究。
在材料的疲勞研究中，疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系一般采用半經(jīng)驗(yàn)的Paris公式[7]：
(1)
式中C1和n是由材料決定的常數(shù)，為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度（），a為裂紋長度，N為疲勞的循環(huán)次數(shù)。
在疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射研究方面，前人研究了低頻循環(huán)下過閾值的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系[9-12]，并且建立了與公式（1）相類似的關(guān)系：
(2)
式中，H表示聲發(fā)射信號(hào)的總計(jì)數(shù)；C2和m是材料性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。
從建立聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度方程來看，使用聲發(fā)射信號(hào)的能量值更能反應(yīng)在疲勞載荷作用下，裂紋擴(kuò)展的狀況。所以可將式（2）改寫成下式：
(3)
式中，E表示聲發(fā)射信號(hào)的累計(jì)能量；C3和是與材料性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。用能量來研究裂紋擴(kuò)展的規(guī)律有兩個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)：其一是受傳感器與試件之間的耦合狀況影響較小；其二是受設(shè)置的閾值影響較小。所以在本文研究中，采用聲發(fā)射信號(hào)的能量建立與裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系，還可以通過聲發(fā)射檢測結(jié)果對(duì)構(gòu)件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和剩余疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測[5,10]。
* 國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：50005006）和北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：3011001）資助。
2試驗(yàn)研究
2.1 試樣
試驗(yàn)的緊湊拉伸試樣的材料選用16MnR鋼，該材料為低合金高強(qiáng)度容器專用鋼，材料的熱處理狀態(tài)為熱軋供貨狀態(tài)。三塊試樣相同。材料的化學(xué)成分和主要機(jī)械性能見下表：
表1材料的化學(xué)成分及機(jī)械性能(室溫)
Table 5-1. Material composition and mechanical properties at room temperature

緊湊拉伸試樣的尺寸和加工精度按照美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E399-90的要求加工，如圖1所示。按標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試樣的厚度，本文試樣取W=50.8mm，B=20mm，并用線切割技術(shù)預(yù)制了一條長為2.5mm的人工裂紋。
2.2 試驗(yàn)機(jī)
疲勞試驗(yàn)機(jī)使用的是長春試驗(yàn)機(jī)所制造的PLG-100C高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)器的載荷與其試樣保護(hù)都采用微機(jī)控制。疲勞試驗(yàn)中應(yīng)力循環(huán)比R的值為0.1。試樣是通過銷軸、U形夾具、壓緊環(huán)和疲勞機(jī)相連接。
2.3 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)
試驗(yàn)中安裝了四個(gè)聲發(fā)射傳感器，分別編號(hào)為S1、S2、S3和S4。S1和S2號(hào)傳感器安裝在試樣預(yù)制裂紋的兩側(cè)對(duì)稱的位置，如圖1所示。傳感器S3安裝于U形夾具上，S4安裝于試驗(yàn)機(jī)的壓緊環(huán)上，如圖2所示。
S3和S4傳感器的裝設(shè)有兩個(gè)目的，第一，為濾波和辨識(shí)噪聲的需要，即起警戒傳感器的作用；第二，為實(shí)現(xiàn)間接測量的需要，即傳感器不直接耦合在被測的試樣上，實(shí)現(xiàn)間接測量。
聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)傳感器接收送至前置放大器，再進(jìn)入主放大器進(jìn)一步放大和信號(hào)調(diào)理，調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)入主處理機(jī)采集和分析。
聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器、放大器等硬件的選用以及軟件參數(shù)的設(shè)置都是根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際狀況做出。傳感器S1和S2選用的是20k～1.0MHz的寬帶傳感器，分別為德國Vallen公司和日本Fuji公司生產(chǎn)。選用寬帶傳感器的目的，是為了獲得更豐富的聲發(fā)射信號(hào)，便于后面的聲發(fā)射信號(hào)分析和處理。傳感器S3和S4選用的廣州聲華公司生產(chǎn)的R15型高靈敏度諧振式傳感器，其頻率范圍是100kHz～400kHz。此處選用窄帶諧振式傳感器的目的是保證傳感器的高靈敏度，如果采用同類的寬帶傳感器監(jiān)測的效果將差一些。四個(gè)前置放大器采用的帶寬跟傳感器的帶寬一致，前置放大器增益為34dB。撞擊定義時(shí)間設(shè)為500(s，采樣長度為4k。試驗(yàn)前聲發(fā)射儀各通道的靈敏度都經(jīng)過仔細(xì)校準(zhǔn)，以保證儀器的正?？煽抗ぷ?。聲發(fā)射儀選用的是廣州聲華公司的WAE2002型多通道全波形系統(tǒng)。
2.4 外觸發(fā)器
在加載循環(huán)過程中，在低應(yīng)力時(shí)裂紋閉合，在高應(yīng)力時(shí)裂紋張開并擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展釋放出應(yīng)變能，也就出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)。在裂紋閉合時(shí)，由于裂紋表面的摩擦而產(chǎn)生噪聲。要獲得裂紋擴(kuò)展時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，必須要將裂紋閉合時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)分離出去。為了盡可能使采集到的信號(hào)噪聲少一些，在本實(shí)驗(yàn)中專門設(shè)計(jì)了一個(gè)外觸發(fā)器。外觸發(fā)器是將疲勞試驗(yàn)機(jī)測力計(jì)輸出的電壓與參考電壓（閾值電壓）進(jìn)行比較，若高于這個(gè)閾值電壓的信號(hào)將產(chǎn)生脈沖電平，使采集卡觸發(fā)并開始采集信號(hào)。閾值電壓選用的是85％的最大疲勞載荷時(shí)測力計(jì)的輸出電壓。這樣處理以后，在所采集到的信號(hào)中，裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)比例大大提高，而且減少了采集數(shù)據(jù)的量。
圖2 疲勞試驗(yàn)及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的布置圖
2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
疲勞試驗(yàn)機(jī)開始加載后，先進(jìn)行噪聲信號(hào)的測量，此時(shí)沒有裂紋擴(kuò)展信號(hào)，所采集到的信號(hào)均為各種噪聲信號(hào)，以此時(shí)的信號(hào)為噪聲的樣本信號(hào)，找出噪聲信號(hào)的特征，從所采集到的信號(hào)中剔除它們。
通過分析和前幾個(gè)類似試樣的經(jīng)驗(yàn)，聲發(fā)射儀正式開始采集是在疲勞試驗(yàn)開始后1小時(shí)進(jìn)行，其目的是為了減少數(shù)據(jù)量，因?yàn)樵诒疚脑囼?yàn)條件下，前1小時(shí)不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。在這段時(shí)間內(nèi)先進(jìn)行背景噪聲的測量，再根據(jù)檢測情況設(shè)置好儀器各種參數(shù)。兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間在試驗(yàn)前應(yīng)仔細(xì)校對(duì)，以便兩者能在統(tǒng)一的時(shí)間下進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。以下所述及作圖用的時(shí)間都是從聲發(fā)射信號(hào)開始采集時(shí)算起。
3裂紋擴(kuò)展信號(hào)的識(shí)別方法
在本文的試驗(yàn)中，除了裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)外，還有以下噪聲信號(hào)：第一種是內(nèi)部電子器件，傳輸電纜等產(chǎn)生的電磁噪聲；第二種是外部的干擾噪聲，這類噪聲較多，主要有：疲勞機(jī)電磁激振產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，試樣與夾具連接的銷軸的摩擦噪聲，裂紋閉合時(shí)的摩擦噪聲。下面的部分將討論減少噪聲的措施和噪聲的分離與排除，最終得到裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)結(jié)果。
3.1 硬件方法降噪
疲勞機(jī)的激勵(lì)共振頻率較低，所以外界機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的較高幅度的噪聲信號(hào)，其頻率相對(duì)較低，一般在20kHz以下。所以在傳感器、前置放大器以及主放大器內(nèi)的濾波器都是20kHz以上的高通器件，這樣高幅度的振動(dòng)信號(hào)在所采集的信號(hào)中不會(huì)出現(xiàn)。但由于聲波傳播的復(fù)雜性，以及各種色散效應(yīng)，采集的信號(hào)還是含有共振噪聲信號(hào)。
另一個(gè)硬件降噪的方法，如前所述采用外觸發(fā)器，讓采集卡只在試樣受拉伸時(shí)采集數(shù)據(jù)。這時(shí)在采集的信號(hào)中裂紋擴(kuò)展信號(hào)所占的比例就大得多。如圖3所示。我們只需采集圖中陰影部分裂紋在高應(yīng)力作用下擴(kuò)展時(shí)的信號(hào)。
3.2 信號(hào)的軟件處理和