金属塑性材料细观损伤过程声发射特性实验研究

金属塑性材料细观损伤过程声发射特性实验研究金属塑性材料细观损伤过程声发射特性实验研究 金属塑性材料细观损伤过程声发射特性实验研究张颖1袁李彬1袁赵 广宇1袁周俊鹏1袁2袁刘爱玲1 1 东北石油大学机械科学与工程学 院 黑龙江大庆163318 2 大庆油田工程建设公司石油石化设备厂 黑龙江大庆163000 摘为例 采用GTN模型模拟求得光滑缺口试件 拉伸过程中细观损伤参数的变化情况 进行拉伸实验获取材料的力 学及要院采用声发射基本参数能量计数对金属塑性材料细观损伤机 制及微孔洞演化过程进行研究 以20钢和Q345钢声发射信息 结合模拟和实验数据 分析两种试件拉伸过程孔洞扩张比和累积能 量计数的变化规律 建立基于累积能量计数的孔洞扩张比量化评价 经验公式 结果表明采用累积能量计数解释金属塑性材料的微孔洞演化过程清 晰合理 可以有效区分20钢与Q345钢的细观损伤差异 关键词院声发射 细观损伤 孔洞扩张比 累积能量计数 GTN模型 文献标志码院A院1674 5124渊xx冤01 0115 05Experimental researchon acoustic emission characteristicsof plasticmaterialsin microscopic damage processZHANGYing1 LI Bin1 ZHAO Guangyu1 ZHOU Junpeng1 2 LIU Ailing1 1 College ofMechanical Scienceand Engineering Northeast PetroleumUniversity Daqing163318 China 2 Petroleum andPetrochemical EquipmentFactory Daqing OilField EngineeringConstruction Company Daqing163000 China Abstract The microscopicdamage mechanismand micro voids evolutionaryprocess ofplasticmaterials wereresearched byusing AEbasic parameterenergy Take20and Q345steels forexample the microscopicdamage parameters changes in the tensile process wereobtained byusingGTN modelsimulation the informationof mechanicaland acousticemission wasobtainedfrom thetensile tests Combined experimentaldata withsimulation change lawsof void growthratio andcumulative energywere analyzedinthetensileprocessfor twokinds ofsteels andquantitative evaluatingformula ofvoid growthratio wasestablished basingon theAE cumulativeenergy The resultsshow thatusing thecumulative energyto explainthe processof micro voidsevolutionof plasticmaterialsisclearandreasonable microscopicdamagediff erences of20with Q345steels Keywords acousticemission micromechanical damage voidgrowthratio cumulative energy GTNmodelandcaneffectivelydistinguishthe院xx 01 09曰收到修改稿日期院xx 03 12基金项目院黑龙江省自然科学基金项目 Exx39 颖 1972 男 黑龙江大庆市人 教授 博士 作者简介张主要从事过程 设备安全检测及完整性评价的研究工作 0引声发射是材料内局部受到激励作用使得能量快言速释放产生瞬态 弹性波的现象 也是材料内部损伤变化的伴生现象 声发射参数与材料损伤变化存在着对应关系 通过获取损伤过程伴 随的声发射信息 可对材料损伤状态进行评价 1 微孔洞形核 长大及汇聚是金属塑性材料细观损伤的典型机制 GTN模型可较好地反映金属塑性变形过程中细观损伤演化中国测试CH INA MEASUREMENT TESTVol 41January xxNo 1第41卷第1期xx年1月doi 院10 11857 j issn 1674 5124 xx 01 030中国测试中国测试xx年1月行为 2 4 孔洞扩张比VG是建立在微孔洞演化机制上的细观力学参数 它将材 料细观损伤特征与宏观力学行为联系起来 反映了材料的损伤状态 可表征材料延性断裂前的损伤程度 5 本文结合实验与有限元模拟 分析了20钢和Q345钢材料拉伸试件细 观损伤过程的声发射特性 建立了VG与声发射累积能量计数NE之间 的函数关系 实现利用声发射参数对材料细观损伤程度的量化评价 1声发射参数与孔洞扩张比VG关系的建立Kachanov 6 在蠕变损伤力 学研究中第一次引入损伤因子概念 后来研究者们从不同角度定义 了损伤变量D Tang CA等 7 提出了声发射参数表征损伤的模型 其关系式为D AdA NNm 1 式中Ad A Nm 承载面即时缺陷的所有面积 承载面初始无损时的横截面面积 材料从无损到临界破坏时的声发射参数累积量 N 即时声发射参数累积量 郑长卿在金属材料韧性破坏研究中从孔洞扩张角度提出VG表征损伤 变量的模型 其关系式为D AdA 工作条件下的孔洞扩张比 VGC 材料发生韧性断裂时的临界孔洞扩张比 对于光滑圆棒缺口试件 VG满足下式VG 着pf R滓 着pexp 1 5R 滓 式中着p 宏观等效塑性应变 R滓 应力三轴度 结合式 1 和式 2 可得VG VGm VGVGC 2 式中VG 3 N kN f N 4 式 4 中N值可由声发射基本参数的累积量代替 本文选取能量计数 的累积量NE作为分析对象 能量计数为信号检波包络线下的面积 反映了信号活动的强度 式中具体的函数关系由实验与模拟数据拟 合获得 2试件拉伸过程细观参数VG的模拟及分析2 1有限元模型的建立与参 数选择采用GTN模型对20钢与Q345钢的圆棒缺口试件拉伸过程细观损 伤情况进行模拟 GTN模型描述了微孔洞损伤对材料塑性变形行为的影响 其屈服面函 数为椎 滓ij f 滓eq滓s 2 2fq1cosh q23滓m2滓s 1 q3f2 0 微孔洞周围非均匀应力场和相邻孔洞之间相互作用的修正系数 滓e q Mises等效应力 滓m 宏观静水应力 滓s 单元中母材的流变应力 f 孔洞体积百分数 应用ABAQUS有限元分析软件取试件1 4进行建模 试件形状尺寸如图1所示 模型如图2所示 网格单元类型为CAX4R 位移加载 5 式中qi i 1 2 3 其中 20钢GTN模型参数选择为q1 1 0 q2 1 0 q3 1 0 fN 0 01 SN 0 1 着N 0 25 E 211GPa 籽 7850kg m3 Q345钢GTN模型参 数选择为q1 1 5 q2 1 0 q3 2 25 fN 0 02 SN 0 1 着N 0 25 E 209GPa 籽 7850kg m3 参数数值的选择依据文献 8 及多次模拟尝试获得 两种材料的真实 应力 应变数值由实验获得 2 2模拟结果分析应用ABAQUS Explicit有限元软件计算圆棒缺口试 件缺口前端不同位置应力三轴度R滓 等效塑性应变着p随外载荷变 化数值 然后利用式 3 计算求出圆棒缺口试件缺口前端不同位置孔洞扩张比VG的变化 情况 图3为两种钢试件孔洞扩张比VG不同阶段的变化曲线 可知20钢与Q3 45钢试件缺口前端VG变化规律相似 屈服 BC 阶段试件缺口前端VG值增长几乎为零 强化 CD 阶段 试件缺口前端各处VG值均快速递增 缩颈 DE 阶段试件缺口前端 的心部VG值陡增而根部VG值增长极小 VG值的变化规律图2缺口试件1 4模型及网格划分图1试件形状及尺寸 渊单位院mm冤0 2xx55010116第41卷第1期反映了材料细观损伤过程 中微孔洞的演变过程 屈服阶段为孔洞形核阶段 并未进行孔洞扩 张 因此VG值没有增长 强化阶段损伤机制转化为孔洞的长大汇聚 此阶段试件缺口前端VG值均有增长 缩颈阶段 试件缺口心部的 微孔洞率先连接形成微裂纹 使得孔洞扩展迅速 VG值陡增 宏观 上试件已经明显出现塑性变形 3圆棒缺口试件拉伸 声发射实验与分析3 1实验装置与参数设置将20钢试件编号1 耀5 Q345钢试件编号1忆 耀5忆 依据标准GB T228 1 xx 金属材料室温拉伸试验方法 9 在SANS电子万能试验机上对试 件进行匀速轴向拉伸 加载速率为0 3mm min 采用PAC 8系统声发射检测仪 传感器为WD型传感器 前置放大器为PAC2 4 6 型 实验系统接地以避免噪声信号干扰 门槛为30dB PDT为300滋s HD T为600滋s HLT为600滋s 声发射实验依据标准GB T26646 xx 无损检测声发射检测小型部件声发射检测方法 10 进行 3 2实验结果分析图4为20钢1 试件能量计数 累积能量计数NE随时 间变化图 图5为Q345钢1忆 试件能量计数 累积能量计数NE随时间 变化图 由图 4 图5可知 两种试件的累积能量计数NE随时间变化规律不同 20 钢试件NE值仅在BC阶段陡增 其他阶段增长平缓 而Q345钢试件NE 值在BC CD DE阶段均有显著增长 由金属塑性材料微孔洞演变机制可知 微孔洞形核是由材料的不均 匀性引起的 多数金属塑性材料微孔洞形核于夹杂物或第二相颗粒 处 夹杂物 颗粒与基体交界面间减聚力以及夹杂物 颗粒自身破碎是 微孔洞形核的主要原因 11 屈服阶段为孔洞形核的主要阶段 形核活动产生了大量的声发射源 由图 4 图5可知 屈服阶段 20钢能量计数数值较高 而Q345钢数值较 低 反映出它们形核活动强度存在差异 这种差异源于材料组织结构的不同 进入强化阶段 微孔洞形核活动大幅度减弱 主要损伤机制转变为 微孔洞的长大汇聚 微孔洞长大是能量缓慢累积的过程 微孔洞汇聚是能量快速释放的 过程 由图 4 图5可知 强化阶段至断裂阶段的声发射信号产生都是阵发式的 主要由大型孔洞汇聚产生 进入缩颈阶段 损伤机制进一步转变 首先是微孔洞连接形成微裂 纹 然后微裂纹扩展形成宏观裂纹并使得试件缺口处心部区域率先 断裂 最后试件缺口处的边缘母材在剪切力作用下发生断裂 缩颈阶段的声发射信号稀疏 因为外载荷做功产生的大图420钢1 试 件能量计数NE对时间变化图05001000150020002500300035004000ABC DE0100 xx00400时间 s50060070080090050100150 xx50300图5Q345钢1 忆 试件能量计数NE对时间变化图ABCDE2000150010005000 xx5010050 010030050070090011001300时间 s图3试件缺口前端VG数值分布渊a 冤20钢0024x mmEDCB1234BCDE渊b冤Q345钢0024x mm123BCDEEDCB张 颖等金属塑性材料细观损伤过程声发射特性实验研究117中国测试中 国测试xx年1月部分能量被试件边缘母材吸收并储存起来 用于积累 产生剪切断裂 4累积能量计数与孔洞扩张比VG量化关系分析4 1累积能量计数的统 计表1统计了不同试件拉伸过程关键点B C D E时刻的累积能量计 数NE及其平均值 由表中数据可知 20钢试件的累积能量计数在屈服 BC 阶段增值 最大 Q345钢试件的累积能量计数在强化 CD 阶段增值最大 整个拉伸阶段20钢累积能量计数大于Q345钢 4 2累积能量计数与孔洞扩张比VG量化关系的建立选取B C D E点 及中间适当点作为分析点 两种钢试件各点处累积能量计数平均值N E与x 0处的孔洞扩张比VG关系如图6所示 并进行数据拟合 由图6中拟合曲线可知采用累积能量计数NE量化孔洞扩张比VG分为屈 服 强化 缩颈3个阶段 与宏观拉伸行为一致 屈服 强化阶段为两种不同的线性损伤阶段 缩颈阶段为指数型的 非线性损伤阶段 两种钢能量释放规律不同 20钢能量释放主要阶段为屈服阶段 Q34 5钢能量释放主要阶段为强化阶段 从分析可知 采用累积能量计数能较好反映两种材料细观损伤中的 差异 选择图6中拟合曲线进行计算 建立基于累积能量计数的孔洞扩张比 量化评价式 6 和式 7 由于两种钢屈服阶段的VG值变化微小 因此不予分析 20钢强化阶段VG 20 6E 4NE 0 9727 1593臆NE臆2054 缩颈阶段VG 20 4E 19e0 02NE 2054臆NE臆2176 嗓 6 Q345钢强化阶段VG Q345 4E 4NE 0 1665 329臆NE臆1297 缩颈阶段VG Q345 2E 11e0 0182NE 1297臆NE臆1413 嗓 7 4 3基于声发射累积能量计数的孔洞演变过程解释由4 2分析可 知 累积能量计数能较好地反映金属塑性材料的细观损伤过程 微孔洞演变是金属塑性材料的主要损伤机制 20钢与Q345钢损伤机 制相同 但组织结构的不同使得它们的声发射特性存在差异 这种 差异可从累积能量计数的数值变化上体现出来 比较20钢与Q345钢的断口形貌图 见图7 可以看出20钢韧窝较大 且分布密集 说明其材料组织中夹杂物颗粒较大较多 孔洞形核时 更易产生高值能量信号 所以屈服阶段累积能量计数NE较大 进入强化阶段 微孔洞形核活动大幅度减弱 损伤机制转变为微孔 洞的长大与汇聚 声发射信号主要微孔洞的汇聚 由于20钢在屈服阶段能量释放较多 强化阶段能量主要用于孔洞的 扩展 使得能量不易释放出来 所以累积能量计数NE较小 相比20钢 Q345钢屈服阶段释放能量较小 在外载荷做功条件下 强化阶段试件内部积累了大量能量 孔洞汇聚过程剧烈 易于释放 高值能量信号 所以累积能量计数NE较大 进入缩颈阶段 损伤机制转为微孔洞连接 钢号试件编号拉伸各个 阶段点C168216421546159814981593303345298366346329BDE20钢1 2 3 4 5 2652521892042122224846365047452080211321901980190620 54115811391346131415241297215922092470207819662176123812371 415150616661412平均值1忆 2忆 3忆 4忆 5忆 Q345钢平均值表120 钢与Q345钢不同拉伸阶段的NE值20钢Q345钢图7两种材料试件断口微 观形貌图620钢与Q345钢的NE与VG关系 0 5005001000150020002500NE0 51 01 52 02 53 03 5BBCCDDEE20钢 Q345钢BC屈服阶段CD强化阶段DE缩颈阶段118第41卷第1期真 可以 看出当复位信号使能后 滤波器输出Y out不断趋近于期望信号Desi red in 两者的实时误差Error out也在计算过程中不断减小 经过 大约100次计算后结果收敛 此外 选择时钟频率为96MHz 已经可以胜任现阶段任务 因此该种改进算法与硬件结构非常适用于高速实时信号处理 3结束语通过实验对比可以看出 VS DLMS算法较于LMS DLMS这些传统自适应算法在硬件实现方面有着很 大的优势 地震信号有着低频 瞬时和由不同波叠加等复杂性 本文所得算法结论说明该种变步长延时最小均方算法 VS DLMS 低通滤波器可以广泛应用于高速地震信号处理中 该滤波器嵌于FPGA内核中 在提高了系统处理速度的同时大大减少 了系统外围硬件资源的消耗 在降低系统功耗的条件下有效的提高 了采集处理效率 参考文献 1 Yi Y Woods R High speedFPGA based implementa原tions ofdelayed LMSfilters J Journal ofVLSI SignalProcessing xx 39 113 134 2 袁江南 汤碧玉 陈辉煌 基于AelDSP的自适应滤波器设计 J 厦门大学学报自然科学版 xx 49 205 209 赫金 自适应滤波器原理 M 郑宝玉 译 北京电子工业出版社 xx520 531 余宋贵 叶水生 一种改进的变步长LMS自适应滤波算法及其在 噪声抵消中的应用 J 计算机工程与科学 xx 31 4 66 68 高鹰 谢胜利 一种变步长LMS算法及其分析 J 电子学报 xx 29 8 1094 1097 Long G Ling F Proakis JG Corrections toThe LMSalgorithmwithdelayedcoefficientTrans SignalProcessing 1992 40 1 230 232 杨东 王建业 DLMS高速自适应滤波器的FPGA实现 J 器件与电 路 xx 34 5 41 43 Ariyadoost R Kavian YS Karim AA L Two dimen原sional systolicadaptive DLMSFIR filtersfor imagepro原cessing onFPGA C 椅20th IranianConference onElec原trical Engineering xx15 17 郭来功 欧阳名三 蔡俊 基于FPGA的自适应噪声消除DLMS J 仪表技术与传感器 xx 10 91 93 3 4 5 6 adaptation J IEEE 7 8 9 渊上接第99页冤微 裂纹扩展及剪切断裂 能量释放较少 两种钢损伤行为趋同 5结束语1 20钢 Q345钢光滑缺口试件拉伸过程中微孔洞损伤行为 与声发射参数之间存在一致对应关系 采用声发射累积能量计数能 够量化评价金属塑性材料细观损伤过程 2 建立了基于累积能量计数的孔洞扩张比量化评价经验公式 20钢 Q345钢缺口试件拉伸过程中细观损伤可以分为3个阶段 其中 屈服与强化阶段均为线性损伤阶段 缩颈阶段为指数型损伤阶段 20钢 Q345钢屈服和强化阶段能量释放规律不同 反映出了材料组 织结构的差异 参考文献 1 Ennaceur C Laksimi A Herve C et al Monitoringcrack growthin pressurevessel steelby theacousticemissiontechniqueanddifference J InternationalJ ournaland Piping xx 83 1 197 204 Gurson AL Continuum theoryof ductilerupture byvoidnucleation angrowthPart I yield criteriaand flowrulesfor porousductile me