分享：含裂纹钢试样在拉伸过程中的声发射特性
张志魁1,赵红玉2,张春环2
(1.中国石油工程建设有限公司 华北分公司,任丘 062552;2.河北沧海核装备科技股份有限公司,盐山 061300)
摘 要:对于带有I型裂纹的 SM490A 钢和 SUS304钢试样,通过测量其在拉伸断裂过程中的 声发射特征参数及裂纹尖端特定点的温度,分析了裂纹尖端和塑性变形区域的力学特征。结果表 明:声发射能量计数、振铃累积计数在裂纹扩展的各个阶段都有着明显的曲线特征,且曲线特征和 屈服、强化阶段的应力-应变曲线基本吻合,因此可以用声发射能量计数、振铃累积计数来描述屈 服、强化阶段的塑性变形情况;塑性变形率决定了变形至断裂过程中试样的温度变化;对于带有I 型裂纹的SM490A 钢和SUS304钢,其声发射信号主要集中在塑性变形阶段和裂纹扩展阶段。
关键词:SM490A 钢;SUS304钢;断裂;声发射;轧制方向 中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)03-0027-04
声发射技术引进断裂力学是为了满足断裂力学 的快速发展。研究初期,声发射技术在断裂力学中 的应用以特征参数描述断裂过程为主,徐长航等[1] 对钢制标准试样进行了拉伸断裂及疲劳裂纹开裂试 验,并对试样的声发射特性进行了分析,研究了声发 射的特征参数与试样力学性能之间的关系,研究结 果表明,声发射信号的能量计数、振铃计数和幅值等 特征参数能够很好地反映试样整个断裂过程的力学 参数,将声发射技术用于工程上的损伤检测也是十 分有效的。后来龚斌等[2-7]又对带缺陷的一系列塑 性材料的声发射特性进行了对比研究,在研究中用 线切割技术制造试样缺陷,然后进行拉伸试验,并对 检测到的声发射信号进行分析,从而研究其断裂时 的声发射信号特性。MOSTAFAVIS等[8-9]对金属 材料拉伸断裂过程中声发射振铃计数与应力-应变 曲线之间的关系进行了深入的研究。MERIAUXJ 等[10-13]则对3种不同类型裂纹扩展过程中产生的能 量计数进行了研究,发现不同类型的裂纹产生的能 量计数也是不相同的,但是能量计数在每个阶段都 有着明显的特征。为应用声发射技术研究含裂纹 SM490A 钢和SUS304钢试样在拉伸断裂过程中的不同力学行为,笔者对两种钢试样在拉伸过程中的 声发射振铃累积计数、能量计数和表面温度等参数 进行了测量和对比分析。
1 试验方法
试验使用厚3mm、宽45mm 和长230mm 的 SM490A 钢和SUS304钢板材,其尺寸如图1所示。 试样中间用线切割加工出宽度为0.3 mm 的裂纹。 考虑材料各向异性对试验结果的影响,将两种钢试 样都沿轧制方向(R试样)和垂直轧制方向(T 试样) 制成两种平板试样。SM490A 钢试样拉伸速度分别 为50mm·min -1 和5 mm·min -1,SUS304不锈钢 试样拉伸速度为25mm·min -1。 图1 拉伸试样尺寸 Fig 1 Tensilesamplesize 声发射及特定点温度测量试验现场如图2所 示,在试样的裂纹尖端附近贴电阻应变片,测量应 变;在两侧分别放置声发射探头、温度测量仪和夹式 引伸计,测量试验过程中的声发射振铃累积计数、能 量计数和表面温度等参数。
2 试验结果与分析
2.1 SM490A钢
图3和图4为SM490A 钢的应力、声发射振铃 累积 计 数 和 时 间 之 间 的 关 系 图,图 5 和 图 6 为 SM490A 钢的热电偶温度、声发射能量计数和时间 之间的关系图,其中热电偶温度为相对于试样初始 状态的相对温度。 从图3,4中可以看出,在低速拉伸时,弹性阶段 的振铃累积计数呈对数型增长;屈服、强化阶段,振 铃累积计数增长速率保持不变;裂纹扩展阶段,振铃 累积计数的增加量各不相同,变化趋势基本为指数 型曲线,直到振铃累积计数不再增加。 在高速拉伸时,R试样在应力到达峰值的60% 前,振铃累积计数缓慢增长,与应力变化曲线吻合度 不高;而应力达到60%峰值后振铃累积计数增长较 快,此时振铃累积计数曲线与应力变化曲线有较高 的吻合度。T 试样在屈服、强化阶段,振铃累积计数 匀速增加,直到断裂阶段振铃累积计数变化呈指数 型增长。 从整体上来看,R试样和 T 试样的振铃累积计 数曲线基本和应力-应变曲线保持一致,不同拉伸速 度下试样的振铃累积计数曲线则有着较大的差异。 所以试样在不同拉伸速度下的断裂过程中,塑性变 形、裂纹扩展过程并不是一致的,存在着差别。 根据图5,6可以看出,弹性阶段中,无论拉伸速 度高低,由于热弹性效应的影响,试样表面温度降 低,热电偶测量的温度显示试样表面降低了1 ℃左 右。而显示的声发射能量计数却不同,低拉伸速度 下 R试样和 T 试样的声发射信号、温度变化趋势完 全相同。拉伸开始时,出现了较高的声发射能量,是 由于试样与试验机夹头产生了摩擦噪声信号;随着 载荷的增加,噪声信号减少,出现的声发射信号为局 部塑性变形产生的信号。 在屈服、强化阶段,由于试样整体进入了屈服阶 段,塑性变形程度较大,所以试样表面温度升高。此 时由于拉伸速度不同,各测量点温度和红外图像表 现出不同的结果。高速下,试样靠近裂纹尖端区域 的温度以相同的趋势上升,表明该区域的塑性变形基 本相同;而此阶段的声发射信号却不一样。此阶段 R 试样信号变化不大,呈前高后低趋势,应力最大时,能 量信号小;T试样的能量计数值高于 R试样的,中间 有几个突发型能量计数出现,在应力最大时,能量计 数最大。低速拉伸下,R试样与 T试样的声发射和温 度曲线与高速下表现出同样的趋势。屈服、强化阶段 中 T试样的塑性变形程度大于 R试样的;T 试样出现的突发型信号表明 T 试样在塑性变形过程中,其 晶体滑移的不连续性多于 R试样的。 含裂纹钢试样的断裂过程主要是裂纹的扩展, 这期间试样温度在靠近裂纹扩展区域的地方急剧升 高,表明除了塑性变形产生温度外,裂纹扩展产生的 温度要高于塑性变形的。 2.2 SUS304不锈钢 图7为SUS304不锈钢试样的声发射振铃累积 计数、载荷和时间之间的关系图,图8为能量计数、 温度和时间之间的关系图。
由图可见:R 试样和 T 试样在屈服、强化阶段 中的振铃累积计数的变化均呈上升趋势;由于 R 试 样在屈服时就有大量的声发射信号出现,因此 R 试 样前段的振铃累积计数上升较快,T 试样在此阶段 内的振铃计数稳定增加。表明 R 试样的塑性变形 程度比 T 试样的大。断裂过程中 T 试样的能量计 数多于 R 试样的,表明 T 试样的裂纹开裂、扩展程 度大于 R试样的。 无论 R试样还是 T 试样,整个过程中温度变化 趋势相同,最高温度接近,表明从宏观来看两者的塑 性变形率引起的温度变化相同。
3 结论
(1)声发射能量计数、振铃累积计数在裂纹扩 展的各个阶段都有着明显的曲线特征,且曲线特征 和屈服、强化阶段的应力-应变曲线基本吻合,因此 可以用声发射能量计数、振铃累积计数来描述屈服、 强化阶段的塑形变形程度。 (2)塑性变形率决定了变形至断裂过程中试样 的温度变化。 (3) 对 于 带 有 I 型 裂 纹 的 SM490A 钢 和 SUS304钢,拉伸过程中声发射信号主要集中在塑 性变形阶段和裂纹扩展阶段。
来源：材料与测试网
