SUS304不锈钢拉伸过程中的声-热像特征

欧阳浩，石 健，张志魁，赵广慧

(1.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062552)



SUS304不锈钢拉伸过程中的声-热像特征

欧阳浩1，石 健1，张志魁2，赵广慧1

(1.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062552)

测量了含有Ⅰ型裂纹的SUS304不锈钢试样的单轴拉伸过程中的塑性变形和断裂。分析了裂纹尖端区域的塑性变形和断裂过程。结果表明：SUS304的各向异性在断裂阶段对声发射信号影响较大；红外热图像中的温度分布与塑性应变率有关；通过声发射参数和红外热图像可以从微观和宏观两方面分析裂纹尖端区域的塑性变形和断裂。

塑性变形； 断裂； Ⅰ型裂纹； 声发射； 红外图像

1 引 言

声发射是指材料因局部能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象[1]。其形成机理是金属材料受载后，由于材料局部缺陷或微观结构的不均匀，使该区域所承担的应力高度集中，当外部荷载增大到一定程度时，应力高度集中区域的能量使材料缺陷部位产生屈服、塑性变形，并通过滑移、开裂等方式将多余的能量释放，其中一部分是以应力波形式快速释放的弹性能。红外热技术的理论基础是热辐射和热传导理论[2-3]。金属材料在塑性变形、裂纹生成扩张过程中，有大量的塑性功耗散,同时伴随热量产生。红外热像仪是快速直观测量物体温度的有效工具，在相关领域受到了广泛应用[4]。

近年来声发射技术和红外热像技术比较多地应用在金属材料的塑性变形和断裂研究中[5-8]。吴克勤[9]、耿荣生[10]利用声发射技术分别对钛合金材料和某飞机部件进行了研究。YUE Ya-lin[11]利用声发射技术对金属焊接接头疲劳裂纹进行了研究。这些报告对金属材料拉伸断裂及疲劳断裂的声发射特征均作了详细报道。Jalaj Kumar[12]等通过红外图像对金属材料试样在拉伸变形过程中的表面温度进行了测量，利用表面温度变化曲线，确定光滑和缺口试样的弹性和非弹性区域。何浩礼[13]等通过红外热像仪研究了PA6标准试样在不同加载速率下，最大红外辐射温度与塑性功之间的关系，明确了塑性功转化为红外辐射能与载荷速率的关系。

国内外学者同时使用声发射和红外热像仪对塑性变形-断裂的相关研究报道并不多。Wu等[14]同时使用声发射和红外热像仪研究了岩石的非连续断层破坏，分析了非连续断层的温度场、应力场及声发射场之间的关系，指出了声发射与实际试验中的热红外辐射温度具有类似的时序变化阶段和空间演化特征。Zhao[15]等用自行设计的多系统、同步监测试验机构，对冲击倾向性煤体的破坏过程进行了声热效应实验研究，对比研究了不同监测方式下,冲击倾向性煤体中的同一破坏事件的响应速度以及各自响应的灵敏度，获得了冲击倾向性煤体的固有物理力学特性。E.Z. Kordatos[16-17]等同时使用声发射和红外热像研究了金属陶瓷复合材料断裂过程的裂纹扩张速率。徐长航[18]等利用声发射仪研究了钢制试件拉伸断裂及疲劳开裂时声发射特征，并将声发射信号与红外热图像进行了比较，指出了声发射信号、红外图像与材料力学性能之间的关系。

SUS304不锈钢由于具有良好的性能而被广泛应用于制作耐腐蚀和成型性的设备和构件。对于SUS304不锈钢在生产、加工以及使用过程中的变形-断裂问题，也受到国内外研究者的关注。同时使用声发射特征参数和红外热像，对SUS304材料的塑性变形-断裂过程的研究现无相关报道。本研究利用红外热像仪和声发射仪，对含有I型裂纹的SUS304不锈钢平板试样，在不同应变率下进行了单轴拉伸实验，通过声发射特征参数和红外热图像对裂纹尖端的塑性变形-断裂进行了研究。

2 实验设计

2.1 试样及实验方法

试样为3mm厚的SUS304不锈钢板材。图1为试样尺寸。试样中间用线切割制作了宽度为0.3mm的裂纹。考虑到材料各向异性对试样的影响，将试样沿轧制方向(R试样)和垂直轧制方向(T试样)制成两种平板试样。实验拉伸速率为5mm/min(低速)和50mm/min(高速)。

图1 试样尺寸Fig.1 Specimen Dimension

本研究的实验装置如图2所示。实验装置由声发射仪、红外热像仪、热电偶构成。声发射仪采用美国PAC公司的LOCAN320型声发射仪，具体配置为:谐振式探头R15, PAC专用前置放大器，PCI-2采集卡。前置放大器门槛电压值设为40dB，采样频率为2MHz。AE探头涂上耦合剂，然后用胶布固定在试样上。AE探头位置如图3所示。为消除初始拉伸时夹头与试样摩擦产生的噪音，实验前施加了0.5kN的预加载。

图2 声发射-红外热测量装置Fig.2 AE and TIR measuring units

图3 热电偶和AE探头位置Fig.3 Positions of the thermocouples and AE sensor

红外热像仪为AVIO TVS-8000MKⅡ型。该热像仪采用测量波段为4～4.6μm的320×240像素斯特林循环制冷的混成二维InSb传感器，温度分辨率为0.25℃，测温范围-40～320℃，最大帧速60帧/秒。为标定红外热像仪的目标发射率，本研究用热电偶显示的温度调整目标发射率，热电偶的位置如图3所示。当热电偶所示的四点的温度值与红外热像仪显示的四点的温度值基本一致时，此时红外热像仪显示的目标发射率为测量时的目标发射率。

3 结果与分析

3.1 AE振铃计数与应力

图4、5为应力、振铃计数与时间的关系图。根据应力-时间曲线将拉伸断裂过程分为三个阶段。第Ⅰ阶段为弹性阶段。此阶段内随着载荷的增加，检测到AE振铃计数。这是因为由于存在预制裂纹，试样在整体屈服前，裂纹尖端已进入屈服，因而检测到了声发射信号。第Ⅱ阶段为屈服、强化阶段，此阶段内随着载荷的增加，试样整体发生了塑性变形，而AE振铃计数却明显少于第Ⅰ阶段。第Ⅲ阶段为断裂阶段，此阶段内随着载荷的降低，裂纹开始扩展，出现了连续型AE信号，且振铃计数明显多于第Ⅱ阶段。通过对比图4、5中的AE信号，在不同拉伸速度下的第Ⅰ、Ⅱ阶段内，AE信号变化基本相同，表明弹性、屈服、强化阶段中，材料的各向异性与拉伸速度对此过程没有明显的影响。在图4、5的(a)图中，第Ⅲ阶段AE信号主要集中在该阶段的后期；(b)图中，AE信号相对集中于该阶段的前半部分。表明由于R、T试样的晶粒方向不同，对于裂纹扩展产生较为明显的影响。

图4 5mm/min拉伸速率下应力、振铃计数与时间的关系图 (a) R 试样； (b) T 试样Fig.4 Relation between stress, AE counts and time at 5mm/min (a) Specimen R; (b) Specimen T

图5 50mm/min拉伸速率下应力、振铃计数与时间的关系图 (a) R 试样； (b) T 试样Fig.5 Relation between stress, AE counts and time at 50mm/min (a) Specimen R; (b) Specimen T

图6 5mm/min拉伸速率下的AE能量计数、温度与时间的关系图 (a) R 试样； (b) T 试样Fig.6 Relation between AE energy, temperature and time at 5mm/min (a) Specimen R; (b) Specimen T

3.2 AE能量计数与表面温度

图6、7为AE能量计数、热电偶温度与时间关系图，其中热电偶温度为相对于初始状态的“相对温度”。在第I阶段内试样有少量的能量计数出现，四个测点显示出试样表面温度降低，这是由于金属材料的热弹性效应作用的结果。在第Ⅱ阶段内AE能量计数的变化趋势与振铃计数变化趋势相同，高速下的AE能量计数比低速下的AE能量计数多。此阶段中，4个测点的温度以相同的趋势缓慢增加，各点的温差不大，其中高速下的温度上升速度比低速的试样快；温度与拉伸速率成正相关。第Ⅲ阶段内AE能量计数的变化趋势与振铃计数变化趋势相同。四个测点的温度出现变化，1点的温度高于其它三个点，2、4点温度基本相同，3点温度最低。表明离裂纹尖端越近，温度越高。低速下各测点的温度变化趋势与高速下温度变化趋势相同。

3.3 红外热图像

图8、9分别为低速和高速拉伸时，R试样的红外热图像。图(a)为屈服时的红外热图像，其中裂纹尖端以及与拉伸方向夹角约为±45°的方向上出现了很小的温度变化。图(b)为强化阶段中某时刻的红外热图像。低速(图8)时塑性变形区域以及裂纹尖端部分温度差别不大；高速(图9)时裂纹尖端以及与拉伸方向夹角约为±45°的区域内的温度明显高于其它区域，且温度比低速拉伸时的温度高。图(c)为载荷最高时的

红外热图像。此时红外热图像中裂纹尖端的温度最高，且裂纹尖端区域的温度分布与其它部分明显不同；高速时显示的温度变化区域比低速时的变化区域大。图(d)为裂纹扩展过程中的红外热图像。红外热图像与金属内部的缺陷、裂纹及扩展产生的应力分布有密切的关系，通过温度的变化可以观察出裂纹的形状、裂纹扩展的过程；低速和高速下的红外图像除了温度有差别外，温度的分布、裂纹的形状和扩展过程基本形同。由于T试样的红外热图像与R试样的红外热图像基本相同，因此在此没有给出T试样的红外热图像。

图8 R试样在拉伸速率为5mm/min下的红外图像Fig.8 Thermal images of specimen R at 5mm/min

图9 R试样在拉伸速率为50mm/min下的红外图像Fig.9 Thermal images of specimen R at 50mm/min

3.4 结果分析

当载荷对物体做功时，由于晶粒的变形以及位错运动、滑移变形、孪晶变形运动[11]等，使各晶粒的内能和动能将发生相应的改变，其中一部分能量以热、声发射等形式耗散掉。因此通过声发射信号和红外图像可对材料的力学性能进行分析。

在拉伸的弹性阶段内，SUS304有裂纹试样随着载荷的增加，晶内产生位错，且裂纹尖端局部区域由于应力集中造成该区域已经进入或超过了屈服，因此该阶段内有弹性应变能和塑性应变能；由于红外图像中温度基本不变，所以此阶段的声发射信号主要是弹性应变能的声发射信号。

屈服时的声发射振铃计数和能量计数增加，各测点温度开始上升，红外热图像发生显著变化，表明此时弹性应变能达到了最大，而塑性应变能开始增大，应变能开始热量损耗。因此通过声发射信号以及红外温度的变化可以对材料屈服进行相应分析。

强化阶段中声发射信号相对减少，试样温度上升，表明试样的应变能中弹性应变能较少；而塑性应变能逐渐增多；此阶段中有高能量的突发信号出现是由于当晶内发生位错堵塞时，需要更大的载荷驱动堵塞的位错堆，因此会有高能量的弹性应变能释放。因此可以通过声发射信号强度对晶粒的微观变形和运动进行分析与判断。

断裂过程中，声发射信号再次增加的同时，裂纹尖端温度急剧升高，高温区域随着裂纹扩展变大。表明开裂、扩展过程中随着应变能减少的同时耗散的声发射和热能达到最大。因此通过声发射信号和红外温度的变化可以对裂纹的开裂、扩展及裂纹尖端的塑性变形区域进行实时分析。

4 结 论

本文针对SUS304不锈钢在拉伸断裂过程中的力学行为，利用声发射仪和红外热像仪对含有Ⅰ型裂纹的试样进行了单轴拉伸实验，结果表明：

1.SUS304不锈钢的加载速率对声发射信号影响不大；各向异性在弹性、屈服、强化阶段对声发射信号影响不大，但在断裂阶段会有明显不同；加载速率对温度有较大影响，各向异性对温度影响较小。

2.红外热图像中的温度分布和变化可以清晰地反映出材料变形-断裂过程中的宏观过程；声发射特征信号能够显示出材料内部的变化过程。因此，通过声发射特征信号和红外热图像可以对材料塑性变形、裂纹的生成、扩张及断裂过程进行宏观与微观分析。

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AE and Thermographic Characteristics of SUS304 during Tensile Process

OUYANG Hao1， SHI Jian1， ZHANG Zhikui2， ZHAO Guanghui1

(1.Mechatronic Engineering College of Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2.China Petroleum Engineering Huabei Company, Renyue 062552, China)

Plastic deformation and fracture with Ⅰ-type crack of SUS304 specimens were measured by acoustic emission (AE), infrared thermography (TIR) and thermocouples during uniaxial tension process. Plastic deformation and fracture process around crack tip were discussed by AE parameters, TIR images and temperature distribution. The experimental results show that: the anisotropy of SUS304 has great influence on AE signals during fracture stage. The temperature distribution of TIR image is related to plastic strain rate. The plastic deformation and fracture of the crack tip region can be analyzed from microscopic and macroscopic aspects by acoustic emission parameters and infrared thermal image.

plastic deformation； fracture； Ⅰ-type cracks； acoustic emission； TIR images

1673-2812(2017)02-0316-05

2015-11-02；

2016-03-07

石油与天然气装备教育部重点实验室开放基金资助项目(OGE201402-03)；国家自然科学基金资助项目(11102173)和(51134004)

欧阳浩，硕士研究生，主要从事固体力学及无损检测方面研究。E-mail：oyhvbest@126.com。

石 健，副教授，E-mail:jianshia99@aliyun.com。

TG142.1+5

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.030