含裂纹钢试样在拉伸过程中的声发射特性

张志魁, 赵红玉, 张春环

(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)

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。MOSTAFAVI S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。MERIAUX J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3 mm、宽45 mm和长230 mm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50 mm·min-1和5 mm·min-1，SUS304不锈钢试样拉伸速度为25 mm·min-1。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Tensile sample size

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。

图2 声发射及特定点温度测量的试验现场Fig.2 Test site of acoustic emission and temperaturemeasurement at specific points

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。

图3 拉伸速度为5 mm·min-1时SM490A钢不同试样的应力、振铃累积计数和时间之间的关系图Fig.3 Relationship diagram between stress, cumulative ringing count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 5 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

图4 拉伸速度为50 mm·min-1时SM490A钢不同试样的应力、振铃累积计数和时间之间的关系图Fig.4 Relationship diagram between stress, cumulative ringing count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 50 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

图5 拉伸速度为5 mm·min-1时SM490A钢不同试样的温度、能量计数和时间之间的关系图Fig.5 Relationship diagram between temperature, energy count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 5 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

图6 拉伸速度为50 mm·min-1时SM490A钢不同试样的温度、能量计数和时间之间的关系图Fig.6 Relationship diagram between temperature, energy count and time of SM490A steel of different samples at tensile speed of 50 mm·min-1:a) R sample; b) T sample

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。

图7 拉伸速度为25 mm·min-1时SUS304不锈钢不同试样的应力、振铃累积计数和时间关系图Fig.7 Relationship diagram between stress, cumulative ringing count and time of SUS304 stainless steel ofdifferent samples at tensile speed of 25 mm·min-1 :a) R sample; b) T sample

图8 拉伸速度为25 mm·min-1时SUS304不锈钢不同试样的温度、能量计数和时间关系图Fig.8 Relationship diagram between temperature, energy count and time of SUS304 stainless steel of different samples at tensile speed of 25 mm·min-1 :a) R sample; b) T sample

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。