声发射技术在工程结构疲劳损伤监测中的应用和展望.docx

声发射技术在工程结构疲劳损伤监测中的应用和展望王慧晶 ,林哲 ,赵德有(大连理工大学 船舶工程系 ,大连 116023 )摘要疲劳失效是工程结构和材料科学研究领域都十分关注的问题 。研究疲劳损伤机制对于解决工程结构疲劳失效问题是很重要的 。应用断裂力学理论研究工程结构的疲劳问题已取得了显著的成果 ,随着声发射技术研究的深 入 ,将二者结合起来必将成为疲劳问题研究的更有效方法之一 。阐述了国内外采用声发射技术对工程结构疲劳裂纹损伤 监测中的声发射源机制状况的研究 ,展望了声发射技术结合断裂力学在该领域的应用前景 。关键词 : 疲劳裂纹 ,声发射技术 ,声发射源机制中图分类号 : TG115. 28文献标识码 : A声发射技 术 7 具 有 常 规 探 伤 方 法 所 不 具 备 的 特点 :第一 ,它是一种动态无损检测方法 , 可以长期连续 地在役监测工程结构主要部位缺陷的发展变化 , 从而及时提出安全警报对其实施有效的补救措施 ; 第二 ,它是一种“被动 ”探伤技术 ,即无需发射探测信号 ,而是利 用传感器监听结构内部发出的声波信息 , 对服役的工程结构几乎不会造成什么影响和妨碍 。经过多年的发展与完善 , 声发射技术已经成为无 损评估技术和材料研究的有效工具 。它通过发展声发 射信号参数和断裂力学参数之间的关系 , 能够初步识别裂纹的声发射源机制 ,对工程应用和科学研究的意义都是非常深远的 。本文就目前国内外应用声发射技 术对工程结构进行疲劳裂纹损伤监测问题及裂纹声发 射源机制的研究状况等方面进行了综合评述 , 并对声 发射技术 结 合 断 裂 力 学 在 该 领 域 的 应 用 前 景 进 行 了展望 。金属结构的疲劳失效是众所周知的现象 , 历史上曾经发生过很多因疲劳而导致工程结构失效问题 , 包 括大型机器 、运输工具 、焊接结构等 。金属结构的疲劳失效还可能引发卫星失事 、海洋平台沉没 、压力容器爆炸或桥梁坍塌等灾难性事故 。研究发现 , 破坏原因是 由于内在裂纹的扩展而引起结构的破坏 。在这一现象中 ,循环加载 (应力或应变 )是导致微裂纹成核 、增长直至结构最终完全失效的原因 。确认不同工况下的金属 疲劳损伤 机 制 , 对 于 解 决 疲 劳 失 效 问 题 是 很 重 要 的 。研究工作者通过广泛的研究和实践获得了结构疲劳的 很多知识 ,并提出了相应的材料疲劳机制 1 - 5 。符合设计要求的承载结构仍可能出现疲劳裂纹 。这是由于结构的超负荷服役 、不合格的产品规范或漏 检等 ,以及各种探伤方法的灵敏度限制 、不可避免的偶然损伤 、恶劣的服役环境等因素造成的 。为了早期发 现金属结构疲劳裂纹 、预防疲劳失效事故的发生 ,需要把工程结构与定期保养 、检测和无损检测技术 6 联系 起来 。声发射 (A cou stic Em ission, 简 称 A E ) 又 称 应 力 波发射 ,是指材料或物体内部因内部应力超过屈服极限s而进入 不 可 逆 的 塑 性 变 形 阶 段 或 有 裂 纹 形 成 和 扩 展 、断裂时快速释放出应变能而产生瞬态应力波的现象 。声发射技术是用仪器检测 、记录 、分析声发射信号并利用声发射信号推断声发射源的技术 , 它是检测材 料内微观过程 (即裂纹开裂 、扩展 )的非常灵敏的技术 。因为声发射信号来自材料本身的缺陷 , 采用可以测试 和声源定位的 A E技术不必对整个构件进行扫描 ,能用 远程传感器探测到损伤 ,可连续监视缺陷的发展变化 ,并及时提出安全预报而不影响构件的正常使用 , 这是 其他无损检测方法难以达到的 。1 工程结构疲劳裂纹的声发射源机制的研究111 工程结构疲劳损伤参数与声发射信号参数之间 的关系 不同应力共同作用下的裂纹扩展率 、含裂纹结构的几何条件和裂纹长度以及影响它们的物理机制是科 学研究和工程应用领域都关心的问题 。为了保证 在 失 效 前 就 能 检 测 到 裂 纹 的 产 生 和 扩 展 ,需要确定裂纹扩展率 。很多的研究表明裂纹扩展率与应力强度因子有函数关系 ,运用关系式 da / dn = fR(K)可将裂纹扩展曲线划分为三个区间 : 第 区间 ,近门槛区 ; 第 区间 , Pa ris稳定扩展区 ;第 区间 ,非稳 定裂纹扩展区 。在 Pa ris 稳 定 扩 展 区 , 裂 纹 扩 展 曲 线 符 合 Pa ris公式 8 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (项目编号 50479060 )收稿日期 : 2006 - 08 - 18 修改稿收到日期 : 2006 - 12 - 04第一作者 王慧晶 女 ,博士生 , 1780 年 7 月生 da = C (K) mdn其中 , C 和 m 是材料性质和微观结构 、疲劳频率 、平均158振 动 与 冲 击2007年第 26卷应力或载荷比 、环境 、加载模式 、应力状态和测试温度函数的经验常数 。文献 9 提出中部 区间裂纹稳态 扩展机制有四种 : 即条带机制 、微区解理 、微孔连接和 晶间分离 , 并提出无条带机制的疲劳裂纹扩展公式 。Fo rm an在 Pa ris公式的基础上 ,考虑了载荷比对裂 纹扩展的影响 ,提出适用于稳定扩展区和非稳定裂纹扩展区的疲劳裂纹扩展速率表达式 10 。 以这两个公式为基础 ,人们展开广泛的研究 ,提出100多个裂纹扩展公式 11 - 24 ,研究了给定加载条件下不同物 理 机 制 的 参 数 对 疲 劳 裂 纹 扩 展 三 个 区 间 的 影响 。声发射源机制研究内容之一是发展 A E 信号参数 和断裂力学参数之间的关系 25 - 32 ,把声发射特征与裂 纹尖端的变形联系起来 ,使得裂纹尖端变量 、缺陷尺寸 或应力被 A E 数 据 代 替 。经 常 用 到 的 A E 特 征 参 数 有 :“A E累积振铃计数 ”和“每循环载荷的 A E 振铃计 数 ”等 。A E信号从时域形态上来看 ,一般分为两种基本类 型 :突发型和连续型 。疲劳裂纹的声发射信号主要来 自材料位错和裂纹增长的突发型信号 。为了建立检测到的工程结构疲劳裂纹的声发射信号与已知特征条件下的声发射源机制之间的联系 ,无论是理论研究还是 试验研究 ,主要从两方面进行 : 一是研究 A E 振铃计数与裂纹应变能释放率之间的关系 33 - 37 , 一是研究 A E振铃计数与裂纹微观方面的关系 38 , 39 , 41 , 25 , 27 , 42 - 48 。112 疲劳裂纹损伤的主要声发射源微观裂纹扩展成宏观裂纹 ,在裂纹接近临界裂纹 长度时 ,开始快速断裂 ,这时产生的声发射强度更大 。结构疲劳裂纹损伤的主要声发射源可能为 :1 ) 裂纹扩展过程中的应变能量释放 ;2 ) 裂纹微观方面的变化 。1. 2. 1 裂纹扩展过程中的能量释放 裂纹形成和扩展主要包括 : 裂纹尖端前缘的位错运动形成相应的条带机制 、晶内断裂促使微区解理 、晶 界滑移导致晶间分离和微孔连接促使微裂纹形成与扩 展等 。峰值载荷声发射 9 , 37 , 43 , 44 是裂纹扩展和裂纹尖端 的塑性带变形和断裂的结果 ,这些声发射都与裂纹增长过程中的能量 释放 37 有关 。如果 裂 纹扩 展率 满足Pa ris公式 ,即裂纹扩展速度与 K可用幂指数 m 联系 ,则振铃计数与 K近似用幂指数 m + 2联系 :式中 , C2代表塑性带活动的贡献系数 , C3代表裂纹扩展的贡献系数 。文献 37 给出的结果表明 , 峰值载荷 A E 非常接 近于最大值载荷 。在对钢和铝的研究中发现 , 如果在A E测试中声发射幅值分布没有明显的变化 ,则裂纹扩 展的声发射计数 N 1 和裂纹扩展的能量释放 J 之间存在线性关系 :1 ) 当 K与裂纹扩展速率都增加时 , J 增加 ;2) 当 K与裂纹扩展速率均保持常数 , R 增长时 , J 增加 。H a rris和 D unegan 33 的研究表明 ,每周峰值载荷声 发射率 (每周的 A E计数 )与每周裂纹扩展释放的能量/ EK /关系密切 ,或每循环的 A E 计数与表达式B a ( 1 - R )的关系密切 。研究给出了裂纹增长率 、循环应力强度因子 、循环加载率和 A E行为之间的关系 。Jam e s 34 通过对含裂纹的同性无焊接和异性焊接 拉伸试件进行两组 A E 试验 ,研究 A E 能量计数 (应变能释放率 J )和断裂力学参数 (应力强度因子 K)之间的关系 。针对同性无焊接试件与异性有焊接试件 , 根据 由 FEA、断面显微镜观察 、金相学分析和文献研究等获 得的信息 ,将释放的 A E能与载荷曲线分为 5 个不同的A E机制和失效模式的区段 ,并分析 、比较了两种试件 的 A E能释放形式和原因 。文献 36 采用 A E 技术检测高频疲劳条件下金属材料裂纹的扩展 ,确定紧凑拉伸试件在裂纹稳定扩 展阶段的 A E信号能量率与应力强度因子幅值之间的关系式 。文献 35 基于断裂能理论 , 应用 A E 技术测量金 属中疲劳裂纹扩展力学行为 。文献 49 假定裂纹尖端为球形应力场 ,导出释放能与断裂事件数量的函数关系式 ,利用应力波频率为 断裂速度和断裂事件长度特征的函数进行声发射特征和断裂力学的分析 。通过测量应力波发射 ,检测 、定位和确定事件的数量级 。1. 2. 2 裂纹微观方面的变化1 ) 裂纹尖端塑性带方面的变化 声发射源机制包括作为声发射源出现在塑性带内的交替应力 。在该机制中 , 声发射计数率与循环塑性带体积成比例 44 。Sinc la ir 43 假定声 发射 由 疲 劳 裂 纹 部 分 再 焊 面 积 的分开或裂纹尖端的微观断裂过程产生 , 推导了与新 裂纹面积联系的专用发射参数 43 。该机制的声发射 率与疲劳裂纹面积产生速率或板厚 B 成正比 : N =Bm + 2N = C1K式中 , C1与脆性第二相粒子的密度有关 , 也可用下式的C2表示 。疲劳的声发射计数的总和包括裂纹扩展的声 发射计数 N 1 和 塑 性 带 活 动 的 声 发 射 计 数 N 2 , 可 以写为N to ta l = N 1 + N 2 = ( C2 + C3 ) J da mdn =B C K 。是与材料和测试条件有关的“疲劳裂纹增长的特殊声发射活动 ”。单位裂纹面积产生的事件计数与裂纹增长速度有关 。 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 6期王慧晶等 : 声发射技术在工程结构疲劳损伤监测中的应用和展望159I. G. Pa lm e r 42 采 用 A E 技 术 研 究 裂 纹 尖 端 的 塑性 ,发现总的 A E 计数与塑性带尺寸成正比 ,表明发射 源临近弹塑性边界 。文献 44 的研究结果表明 ,平面应变塑性带对声发射有贡献 。Tind ley 37 提出的裂纹尖端微观断裂过程产生的声A E的主要源是粒子的内含物型断裂 。在处于延展性- 脆性过 渡 温 度 的 软 钢 断 裂 强 度 测 试 中 发 现 了 很 多A E活动出现在裂纹前缘的塑性带外围 。3 ) 损伤全过程事件 38 D. Fang和 A. B ee rkovits运用 声发 射 技术 进行疲劳测试 ,获得有效的 A E 数据 。根据实验数据 ,提出 初始损伤预测模型 。采集的 A E 数据包括从开始到最后失效不同的过程 :初始位错增加和饱和 、初始塑性屈服 、应变硬化和循环软化 、裂纹孵化期 、裂纹萌发 、疲劳 裂纹扩展和失效 。从 A E积分曲线中 ,可以看到 3 个损伤阶段 :初始塑性和循环软化 、裂纹孵化期和微孔连接阶段 、裂纹扩展阶段 。表明 A E的研究发现与微观检测 相拟合 。mm发射计数率为 : N c = CsK / ( 1 - R ) 。文献 50 研究了张开型疲劳裂纹扩展中的 K和A E参数之间的关系 。试验结果表明 ,K 和计数率间 的关系与载荷幅度或裂纹长度无关 , 受低屈服强度和高延展性影响更明显 。研究发现在裂纹扩展的第 区可以分成两个阶段 ( a)和 ( b ) 51 , 55 ,通过相对于裂 纹增长率明显变化的 A E 行为的变化加以区分 。在 ( a)中高的 A E 活动是由于循环塑性带内的循环塑性扩展和循环 塑 性 带 尺 寸 CPZ 增 加 促 使 K 增 加 的 结 果 。在 ( b) 中低的 A E 活动是位错活动的路径减少 和 CPZ尺寸减少的结果 。Sinc la ir 43 , 37 认为塑性带边缘的新屈服是可能的声 发射源 ,声发射数量 N 与新塑性带体积 V 成比例N = BV = B( 2 rpa +hp rp rp )rp是平面应变条件下的塑性带半径 。新塑性屈服机制 的声发射计数的表达式可以写为 25 J. H. W illiam s等对 A E 参数和断裂力学参数之间的关系进行了定量和定性的研究 。通过分析提出下 面的关系式N an ( Km ax, a, Y)即每载荷循环的 A E 振铃次数与每载荷循环的裂纹增 长率 、指数 n 有关 。 n 是最大应力强度因子 、裂纹长度a 和材料屈服强度 Y 的函数 。2声 发 射 技 术 在 工 程 结 构 中 的 应 用 现 状 与展望对声发射技术的研究已有 40 多年 , 研究范围从最2KmN p = CpK( 1 - R ) 22 ) 裂纹尖端微观断裂事件包括内含物前缘的局部变形带的微裂纹扩展和界 面表面脱 散 和 促 进 裂 纹 形 成 以 及 扩 展 的 内 含 物 的 破损 。从应用角度 , 内含物裂纹的早期检测促使我们研究这些内含物在疲劳裂纹开裂和扩展的作用 , 包括类 型 、体积容量和几何结构和其它微观结构因子 。所有 A E参数中包括计数 、幅值 、能量 、频率参数 ,一些声发射事件和响铃计数被认为是材料最直接的微 观变化 。A. B ekovits和 D. Fang 48 应用 A E 技术研究疲劳裂纹特性 。发现在疲劳裂纹扩展过程中 , 声发射 计数率与总计数和裂纹扩展状态与应力和寿命相关 。 前置裂纹的塑性张开和弹性反应加强了裂纹前进产生的信号 ,是 A E 源之一 ; 另外裂纹尖端附近应力集中带 的内含物或 相粒子断裂和 /或分离也对 A E有贡献 。B a ssim 47 通过对四个铁路钢的非金属内含物进行A E实验研究发现 ,在早期测试中 , 当裂纹在内含物中 开始扩展时 , A E级和背景噪声相应地出现突然和典型 的增长 。对所有的测试试件 , A E 监测裂纹扩展的肇端 总是直接与钢中发现的微裂纹有关 。检测延展性裂纹开始扩展主要是断裂强度测试中J1C测试感兴趣的 。A E 技术可以用来检测钢的延展性裂纹的开始扩展 。B lanche tte 45 , 46 在拉伸和断裂强度测 试中 ,从金相学和金属断面的显微镜观察发现突发型初仅限于压力容器 、金属疲劳和断裂力学应用等 , 发展到目前的金属材料 、复合材料 、岩石 、工业制造过程监 测及磁声发射等领域 , 覆盖了航空 、航天 、铁路运输 、工业制造过程监测 、建筑 、石油化工 、电力等几乎所有工业领域 52 。声发射技术现已进入工业实际应用阶段 。 在工业生产中 , 利用声发射技术检测整体或局部的塑 性变形 , 对即将发生的破坏进行早期警报 , 进而避免严重事故的发生 , 如利用声发射技术对列车铁轨缺陷的 扩展进行在线监测 7 , 得到了构件疲劳损伤各阶段与声发射特征之间的关系 , 容易实现自动控制 。在基本 理论的研究方面 , 声发射技术也取得了长足进步 。用声发射监视疲劳断裂过程 , 经过与断裂力学计算相结 合 , 可以发现早期的疲劳裂纹 、预测构件的疲劳寿命及 完整性 6, 38 。在应用 A E 技术过程中 , A E 设备也得到不断的发展 53 。微机与 A E设备的结合 ,使 A E测试的 用处变得更加广泛 。A E 已经成为噪声环境下疲劳测试的可行的工具 。 运用断裂力学理论研究金属的疲劳问题 , 同时结合声发射 技 术 对 工 程 结 构 疲 劳 裂 纹 损 伤 过 程 进 行 监 测 ,可以更有效地揭示金属疲劳裂纹的损伤破坏机理 和寿命规律 。但是 ,在运用声发射技术方面仍需做一些研究工作 ,其中包括 :1 ) 从细观 、微观和宏观三方面同时研究声发射源 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 160振 动 与 冲 击2007年第 26卷 7 耿荣生 . 声发射技术发展现状 J . 无损检测 ND T, 1998, 6( 6 ) : 151 158.基本理论 ,通过引入多层次的缺陷背景和损伤机制来研究材料从变形 、损伤到失效的全过程 , 深刻了解 A E源机制 。2 ) 根据检测的缺陷特征 ,对结构疲劳损伤进行定 位 ,对损伤活动情况定量 。3 ) 进行门槛区和快速扩展区的研究 ,确定有效稳态和疲劳失效状态门槛 , 提出精确的失效疲劳应力极 限 。运用疲劳损伤容限概念 , 提出有效的疲劳损伤参数和失效准则 ,从而提出描述整条疲劳裂纹扩展曲线 的表达式 ,建立合理的疲劳寿命预测模型 。这些提出 的模型 ,将在应用声发射技术在线监测工程结构疲劳 过程中得到验证 ,在应用声发射技术进行工程结构疲 劳裂纹机制研究之间架起桥梁 。4 ) 进一步拓展声发射检测技术的应用领域 ,特别 是大型机械装备焊接构件的声发射检测技术研究和应用 。例如海洋平台结构焊接构件承受的循环应力具有 其独特的个性 ,即应力幅值低而应力循环次数很高 ,并 且疲劳裂纹具有局部性 ,几何形状比较复杂 ,由于裂纹 形状的发 展 最 终 决 定 结 构 中 失 效 的 时 间 和 失 效 的 类 型 ,故裂纹形状发展研究 54 和它的预测是目前十分关 注的问题 。5 ) 相关的 , 在声发射仪器软硬件开 发方 面 , 结合 现有机型的功能和可靠性 ,开发适用于特定工况下在 线检测裂纹的声发射信号数据分析与处理软件包 。利用声发射技术可以分析工程结构的疲劳损伤累 积 ,需要以发展合适的模型和计算方法为前提 ,结合声发射技术 ,实时 、动态地对结构的整体或局部的塑性变 形进行监测 ,以预知疲劳寿命和完整性 ,及时对缺陷进行警报和自控 ,以减少工程事故 。总之 ,声发射技术作为一种新的无损检测技术在工业生产中的应用前景是 相当可观的 。参 考 文 献 1 E llyin F, Fak in lede C O A. C rack Tip Grow th R a te Mode l fo r 8 9 Pa ris P, E rdogan F. Tran s. of A SM E 1963: 528534.R icha rd s C E, L ind ley T C. 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