（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）管状结构的声发射研究.pdf

大连理t 大学硕十学位论文 摘要 声发射是新型的动态无损检测技术。材料、构件由于外力作用或内部受力，其内部 存在的缺陷会由相对静止状态转化为明显的运动状态，同时释放出弹性能以应力波方式 传递。根据应力波的特性分析判断缺陷的特点、状态和发展趋势。声发射无损检测技术 可提供物体受力时缺陷活动的信息，因此，带环向穿透裂纹管断裂试验采用声发射检测 技术，以研究裂纹的动念变化规律。 本文通过实验提取的数据，求得断裂时声发射参数之间的系数及声发射参数与应力 强度因子之间的系数。论文首先介绍了选题的背景和意义以及国内外的研究概况。然后 介绍了声发射技术的相关知识和相关理论。接下来对本文的实验做了详细地介绍。本文 做了两组实验。实验一为声发射检测断铅实验，研究声发射特征参数之间的关系，以求 得同一管径不同距离环向应力波的衰减系数。本文重点是实验二，该实验是环向穿透裂 纹管的声发射实验分析。实验内容是：声发射仪检测带环向穿透裂纹管塑性变形，直至 断裂的过程。接下来，用m a t l a b 编程算出结果。最后得出结论，塑性变形阶段，随载荷 的增加，声发射累计计数随之也增加，其趋势成线性分布：裂纹扩展阶段，声发射累计 计数与应力强度因子的平方成正比。由计算结果表明：管厚与管径之比越大，其五值越 大。在相同的管厚与管径比，系数五又与传感器的位置有关，传感器距声发射源越近， 系数五越大；反之，传感器距声发射源越远，系数五越小。 关键词：声发射；声发射计数；应力强度因子 管状结构的声发射研究 a b s t r a c t a c o u s t i ce m i s s i o ni san e wd y n a m i cn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o nt e c h n i q u e b e c a u s eo ft h e i n t e r n a lo re x t e r n a lf o r c eo nt h em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r ee l e m e n t s ，t h es t a t eo ft h e i ri n t e r n a l d e f e c t sw i l lc h a n g ef r o mr e s t i n gt oo b v i o u s l ym o t i v e a tt h es a m et i m et h ed e f e c t sr e l e a s e e l a s t i ce n e r g yw h i c hi sd e l i v e r e di nf o r mo fs t r e s sw a v e t h ec h a r a c t e r s s t a t e sa n dt r e n do f c h a n g ec a nb ee s t i m a t e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ra n a l y s i so fs t r e s sw a v e d u et ot h e n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o nt e c h n i q u ew i t ha c o u s t i ce m i s s i o nc a ns h o wt h ei n f o r m a t i o no f d e f e c t s m o t i o n ，t h ea c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n i q u ei su s e dt od ot h er u p t u r ee x p e r i m e n to fp i p e s o fc i r c u m f e r e n t i a lc r a c k st os t u d yt h ed y n a m i cc h a n g el a wo ft h ec r a c k s a c c o r d i n gt ot h ed a t ee x t r a c t e di ne x p e r i m e n t t h ec o e 瓶c i e n t sb e t w e e nt h ea c o u s t i c e m i s s i o np a r a m e t e r sa sw e l la st h eo n e sb e t w e e nt h ea c o u s t i ce m i s s i o np a r a m e t e r sa n ds t r e s s i n t e n s i t yf a c t o r sw h e nt h ep i p er u p t u r e sa r eo b m i n e di nt h i sp a p e r t h es u b j e c t s e l e c t i n g b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ea r ei n t r o d u c e da tf i r s ta sw e l la st h er e l a t e di n f o r m a t i o na n d t h e o r y ，t h e nt h ee x p e r i m e n ti si n t r o d u c e di nd e t a i l t h e r ea r et w og r o u p so fe x p e r i m e n t si n t h i sp a p e r t h ef i r s te x p e r i m e n ti st e s t i n gb r o k e n l e a db ya c o u s t i ce m i s s i o n i ti su s e dt os t u d y t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fa c o u s t i ce m i s s i o n ，t h e nt h ea t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n to ft h es t r e s sw a v ei nr i n gd i r e c t i o ni nt h es a m ed i a m e t e ra n dd i f f e r e n td i s t a n c ec a l l b eo b t a i n e d m o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h es e c o n dg r o u po fe x p e r i m e n t i ti sa ne x p e r i m e n t a n a l y s i so fa c o u s t i ce m i s s i o nt ot h ep i p e so fc i r c u m f e r e n t i a lc r a c k s t h ee x p e r i m e n tc o n t e n ti s t h ea c o u s t i ce m i s s i o ni n s t r u m e n td e t e c t st h ep r o c e s so ft h ep i p e s p l a s t i cd e f o r m a t i o nu n t i l t h e i rr u p t u r e ；t h e nt h er e s u l t sc a nb eo b t a i n e dw i t hm a t l a bp r o g r a m s f i n a l l yt h ec o n c l u s i o n c a l lb eo b t a i n e d t h a ti st h ea c c u m u l a t i o nn u m b e r so fa c o u s t i ce m i s s i o ni n c r e a s ea l o n gw i m t h ei n c r e a s eo ft h el o a d a n di t st r e n di sl i n e a rd i s t r i b u t i o n ；t h ea c c u m u l a t i o nn u m b e r so f a c o u s t i ce m i s s i o na r ep r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r eo fs t r e s s i n t e n s i t yf a c t o r s t h e nt h e c a l c u l a t i v er e s u l t ss h o wt h a tt h ev a l u eo f 五w i l li n c r e a s ea st h ei n c r e a s eo ft h er a t i oo ft h e p i p et h i c k n e s sa n dd i a m e t e r ；w h e nt h er a t i oo ft h ep i p et h i c k n e s sa n dd i a m e t e ri si n v a r i a b l e ， t h ec o e f f i c i e n t 五i sr e l a t i v et ot h ep o s i t i o no ft h es e n s o r s t h ev a l u eo f 五i n c r e a s e sa st h e s e n s o rg e t t i n gc l o s e rt ot h es o u n ds o u r c e ；w h e r e a si td e c r e a s e sa st h es e n s o rg e a i n gf u r t h e rt o t h es o u n ds o u r c e k e y w o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ；c o u n t s ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：茎j 塑日期：亡盟：生! 仝 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：垄兰送 导师虢筝l 丝生年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1研究背景及意义 金属结构的失效是众所周知的的现象，历史上曾经发生过很多因裂纹的产生而导致 工程结构失效的问题，包括大型机器、运输工具、焊接结构等。金属结构的失效还可能 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，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。 为了早期发现金属结构裂纹、预防疲劳失效事故的发生，需要把工程结构与定期保 养、检测和无损检测声发射技术联系起来。 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 又称应力波发射，材料或结构受外力或作 用力产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象。各种材料声发射的频率范围 很宽，从次声频、声频到超声频，所以，声发射也成为应力波发射。声发射是一种常见 的物理现象，如果释放的能量足够大，就会产生可以听得见的声音。如在耳边弯曲锡片， 就可以听见噼啪的声，这是由于锡受力发生孪生变形而发生。大多数金属材料塑性变形 和断裂时也有声发射发生，但声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏 的电子仪器才能检测出来。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射 源的技术称为声发射技术【i6 1 。 近年来，声学检测方法有很大发展，它在无损检测技术中占有重要地位。声发射检 测是声学检测的重要方法，它必须有外界条件的作用，使材料或构件发声，如力、电磁、 温度等因素的作用；另一方面，由于这些因素的作用，使材料内部结构发生变化，如晶 体结构变化、滑移变形、裂纹扩展等，发声是在材料内部结构的变化过程中产生的，也 只有内部结构的变化，才能引起能量的释放，才能发声。因此，声发射检测是一种动态 无损检测方法，即：使结构或材料的内部结构、缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中 进行无损检测。因此，裂纹等缺陷在检测中主导参与了检测过程。如果裂纹等缺陷处于 静止状态，没有变化和扩展，就没有声发射发生，也就不能实现声发射检测。声发射检 测的这一特点使其区别与超声、x 射线、涡流等其它无损检测方法。 由于声发射检测是一种动态无损检测方法，而且，声发射信号来自缺陷本身，因此， 用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置 和所受到的应力状态不同时，对结构的损伤程度也不同，所以它的声发射特性也有差别。 管状结构的声发射研究 明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续地监视缺陷的安全性，这就是其它无损 检测方法难以实现的。利用多通道声发射装置，可以确定缺陷的所在位置。 声发射检测到的是一些电信号，根据这些电信号来解释结构内部的缺陷变化往往是 比较复杂，需要丰富的知识和其它试验手段的配合。另一方面，声发射的检测环境常常 有很强的噪声干扰，虽然声发射技术已有多种排除噪声的方法，但在某些情况下还会使 声发射技术的应用受到限制。 1 2 国内外研究概况 由于声发射技术具有上述一系列特点，近几年有许多科学家和工程技术人员致力于 发展和应用声发射技术。声发射技术在地震学方面的应用无疑是最早的例子之一，但是 声发射技术作为一门技术和有科学价值的研究工作是德国k a i s e r 在1 9 5 0 1 9 5 3 年开始 进行的。他观察到金属锌、铜、铝及铅都有声发射现象，并发现了声发射的不可逆效应， 或称凯塞效应【2 3 1 。如果说对于声发射的研究工作五十年代初期从德国开始，那么到了 五十年代后期，则研究的重点转到美国，六十年代在美国出现了声发射技术的研究高潮。 美国的s c h o f i e l d 对声发射现象进行了广泛研究认为声发射来在材料内部的机制，表面 状态对声发射有一定影响。他还注意到连续型信号对应变速率是敏感的，它来源于错位 和交叉滑移；突发型信号与堆垛层错的形成和机械孪晶的快速变形机构有关。t a t r o 从 1 9 5 6 年开始寻找以声发射技术检测金属滑移变形的可能性，他对铝单晶体的研究表明， 声发射活动性与位错的塞积和解脱有关；试样表面的阳极化薄膜能改变声发射的频谱， 而且成为位错运动和变形带形成的障碍。d u n e g a n 对声发射技术的研究做过开拓工作， 在他的研究工作之前，声发射检测多数在声频范围进行，在排除噪声干扰方面遇到了困 难。d u n e g a n 等人把实验频率提高到1 0 0 k h z 1 m h z ，这是实验技术的重要发展。这种进 展为声发射技术从实验室到材料研究阶段走向生产现场用于监视大型构件结构完整性 创造了条件。1 9 6 4 年，美国通用动力公司把声发射用于北极星导弹壳体的水压试验， 这是声发射技术用于评价大型构件结构完整性的第一例子，它标志着声发射开始进入生 产现场应用的新阶段。声发射技术现在应用首先着眼于各类压力容器、航空和航天工业 中的某些重要构件。因为原子能工业的特殊需要，后来的声发射研究工作中，相当部分 是针对原子反应堆进行的。 六十年代后期，随着声发射技术应用范围的扩大，出现了商品声发射仪器。经不断 改用后，已由单通道发展到多通道，由简单的信号处理方法发展到采用电子计算机进行 声发射源定位。这一事实说明，声发射技术己开始进入广泛的应用阶段。 大连理工大学硕士学位论文 七十年代，声发射技术大发展热潮转到日本，后来欧洲的许多国家也相应的开展声 发射研究。我国声发射技术的研究工作是从1 9 7 3 年开始的，其特点是首先着眼于应震， 到因前为止，在材料的研究、压力容器评价、飞机构件的强度监视和测定燃料燃速等方 蘑驭得了明显的效果。 我国对声发射技术的研究已有4 0 多年，研究范围从最初仅限压力容器、金属疲劳 喝断裂力学应用等，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。声发射技术现已经进入工业实际应用阶段。在工业生产中，利用 声发射技术篮测整体或局部的塑性变形，对霹将发生的破坏进行早期预报，进磊避免严 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检测，得到了构件疲 劳按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霆， 声发射技术取得了长足进步。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l 生。在应用a e 技术过程中，a e 设备也得到不断的发展，微机与a e 设备的结合，使a e 测试的用处变的更加广泛。a e 已经成为噪声环境下疲劳测试的可行的工具。 1 3 声发射技术的特点 声发射技术与其他无损检测方法相比，具有两个基本差比： 检测动态缺陷，如缺陷扩展，丽不是检测静态缺陷； 缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外部输入对缺陷进行扫查。这种差别导致该技 术具有以下优点和局限性。 声发射检测技术的主要优点： ( 1 ) 可检测对结梅安全更为有害的活动性缺陷。由于提供缺陷在应力作用下的动态 信息，适于评估缺陷对结构时间有害程度。 ( 2 ) 对大型构件，可以提供整体或范围快速检测。内于不必进行复杂的扫查操作， 而只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验过程，就可以确定皱陷的部位，从 而易于提高检测效率。 ( 3 ) 可提供缺陷随载荷、时闯、温度等外变量丽变他的实时或连续信息，因面适用 于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。 ( 4 ) 由子被检件麴接近要求不高，丽适于其他方法难于或不能接近环境下检测，如 高低温、核辐射、易燃、易爆等环境。 ( 5 ) 对构件的几何形状不敏感，适于检测其他方法受到限制的形状复杂的构件。 管状结构的声发射研究 声发射检测技术的主要局限性： ( 1 ) 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，因而，对数据的正确 解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。 ( 2 ) 声发射检测，一般需要适当的鸯羹载程寄。多数情况下，可利用现成的加载条件， 但有时还需要特殊准备。 ( 3 ) 由于声发射的不可逆性，试验过程的声发射信号不可能通过多次加载重复获 得，因此，每次检测过程的信号获取是非常宝贵的，不可因人为疏忽而造成宝贵数据的 丢失。 ( 4 ) 声发射检测所发现缺陷的定性定量，仍需依赖于其谴无损检测方法。 由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于： 其他方法难以或不能适用的对象与环境； 重要构件的综合评价； 与安金性和经济性关系重大的对象。因此，声发射技术不是替代传统的方法， 而是一种新的补充手段。 1 。4 本文的主要王作内容 声发射技术的应有，目的是通过对采集到的声发射信号的特征分析，去评估声发射 源的活动情况。 本文从断裂力学的角度分析研究了声发射的产生机制，并在大连理工大学船舶工程 学院声学实验室中进行实验。实验分为两部分： 实验一：声发射检测断铅试验。主要研究是逶过声发射参数求得应力波传播的衰减 系数，其意义在于为廒力波的传播路径的研究起到重要的作用。 实验二：声发射检测带穿透裂纹钢管受静力修用断裂研究。研究管受外力 乍震，管 壁发生塑性变形以及裂纹扩展。 基于实验数据和声发射的产生机制，建立声发射参数与应力强度因子方程，从而求 得声发射累计计数与应力强度因子的系数。 最后对本文工作进行总结，分析了不足之处和需要进一步完善的地方。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 声发射现象的物理基础 声发射检测过程可以归纳为：从声发射源发出的信号经介质传播后到达换能器，由 换能器接收，输出电信号，根据这些电信号对声发射源做出正确的解释。对声发射源做 出正确的解释是应用声发射技术的目的。因此，研究和应用声发射技术就应当研究声源 是如何发声；声波在介质中的传播规律。这就是本章的主要内容。 2 1 声发射产生的条件 b 如图2 1弹簧质量块模型比拟声发射事件 f i g 2 1 t h em o d e lo fs p r i n g - m a s sa s s i m i l a t et oa c o u s t i ce m i s s i o ne v e n t 我们知道连续方程是流体力学基本方程之一，是质量守恒定律在流体力学中的应 用。现在用微分体积法来导出直角坐标系的连续方程。在充满流体的空间中取出一个平 行六面体，边长分别为出、咖、比，如图2 1 所示。 我们用机械的不稳定来比拟声发射的产生，用一个简单的质量块弹簧来模拟材料 中发生的断裂事件。一个断裂事件的出现产生应力波发射，把应力波所负载的能量比拟 为弹性应变贮能容器中某一个位置能量的局部释放。如图2 1 ，假定两个弹簧中间有一 1 个质量快，如果每个弹簧的初始刚度是k ，j ! , 2 k - x ，那么弹簧所受到的初始拉力p 为： z p ：k x 2 两个弹簧构成了组合系统，其组合刚度k 是： 管状结构的声发射研究 墨：1 k 1 2 现在，令弹簧2 突然减弱，它的刚度降低到k 一8 k ，那么，弹簧受到的拉力降低 了8 p 。两个弹簧的平均拉力是p 一6 p ，下面求6 p 和位移孝。此时，系统中两个弹簧的 组合刚度为： 疋：k ( k - s k ) 2 k 一6 x 质量块在离原来位置孝远的平衡位置开始振荡，一直到阻尼使质量块静止。由于力 的传递，两个弹簧受到相同的力，那么 尹一卯= 丢k 一燕= 丢( 趸一6 k ) x 2 ( 2 。1 ) 2 2 、 即：玉：1 一坚 恐 必 因： 五= 等等 2 触 溉= 一 2 2 k 一占k 把麓和堪入方程式( 2 。1 ) ! 霉 尸一8 p ：( k - 6 k ) k x 2 必一6 k 6 p ：丝壁垒 ( 2 。2 ) 2 ( 2 k 一万爱) 从图2 1 可以看出，位移为： 孝= 亡( x 一五) = ( 恐一x ) 嚣烧， 芒 6 k x 亡= 一 。 2 ( 2 k 一万k ) ( 2 3 ) 大连琏工大学硕士学位论文 下面求两种状态的应交贮能。应变贮能应幽等于拉长弹簧作的工，那么，初始状态 的弹性应变能为： u ：羔觳2 4 最终状态 一艿= f p 一8 7 ) i ：( k - 6 k ) k x 2 2 2 ( 2 k 一参天) 则褥到： 影一茎生墅二 ( 2 唾) 4 ( 2 k a k ) 从( 2 。2 ) 、( 2 。3 ) 、( 2 4 ) 式可以看出，痰量块。弹簧系统所释放的能量与载荷的瞬闻 降落8 p 成比例，而8 p 与刚度的瞬间减少8 k 成正比，因而释放的能量与出现事件的应 变成沈例。 双这里可以得出结论，声发射的产生是材料牵属部区域快速卸载使弹性能得到释放的结 巢。如果固体中所有的点在阍时间爨到羼一机械力佟用，那么这个物体在时间和空闻 上将同时发生运动变化，当这个物体作为一个整体焉运动，这个过程就会产生波的过程。 只有在局部作用时，物体各部分有速度变化，才会出现波的过程。 实际的物体是其有一定尺寸和表藩豹，应力波到达表面对，导致物体形状翡变化表 现为振动。因此，从物体振动的条件可以分析产生声发射的卸载条件。 2 。2 声发射源 固体在外力应力的作用下，由于其内在各种缺陷和内部结构不均匀区域的应力集 中，导致局部的应力分布达到不稳定状态。众掰周知，材料系统总是趋向予达到最低能 量状态。这种不稳定的应力分布状态积蓄的应变能达到一定程度时，最终要应力分布而 重新达到稳定状态。这种应力分布是鞭范性流变、微观龟裂、裂缝的发生翱发展焉完成。 实际上，这是一种应变能释放的过程。这种被释放的应交能的一部分以应力波的影式发 射出来，在固体表鬻用检测器所测到的这静现象称为声发射t 2 5 1 。 固体材料内部的晨部不稳定状态，往往是在材料整体变得不稳定之前很久裁产生 了。这些不稳定是局部力学运动如滑移带、马氏体小片形成、位错运动、开裂、晶界突 然改变取两。以及地震时断裂带内部馘层运动等原因。这耪局部力学运动就是声发射源。 本文着重讨论与无损检测有关的两种声发射源。 管状结构的声发射研究 2 2 1位镨运动和塑性变形 滑移变形是金属和含金形状不可逆变化的基本构件之一。滑移的过程是位错运动 1 2 1 。位错以足够高的速度运动时，位错周围存在的局部应力场成为产生声发射的条件。 当位错向前移动时，通过滑移面内的原予，这些原子被拥前，当位错滑移过去时，这些 原子又重新退后，这种前拥后挤的过程使原予发生碰撞，从而发生弹性波。另一方面， 一个稳定的位错是处于低能位的状态，在终部应力作用下，位错在滑移西内沿滑移方向 运动，在运动到下一个稳定状态前要克服高能的位垒，当位错移到高能为时，点阵的应 变能增加，从高能位向低能位运动时，释放多余的弹性应变能，其中一部分成为弹性振 动波。 如果位错以速度v 向前移到，位错周围的体积扩展区以频率厂变化，则有 = 詈 ( 2 5 ) b 是位错运动方向的晶格常数，在这个区域周围的品格传递着频率为厂的弹性波。 位错理论分桥指出，位错运动的速度不能超过固体中传播的声速。当考虑到介质的原子 结构时，韧型位错的运动速度限于表匿波速度。按( 2 。5 ) 式计算，这种弹性波的频率很 高，上限频率约为1 0 1 0 m h z 。这样低的能量和如此高频率的弹性波在实际材料中衰减十 分严重。因此，要检测单个位错运动的声发射是十分困难的。 在实际的材料中，确实已检测到与位错运动有关酶声发射，嚣此，提出了几个产生 声发射的位错模型。f r e d e r i c k 等人认为产生声发射与塞积位错的反向应力作用下使位错 源开动和关闭有关。自由位错线的长度和位错滑动的距离有一个底线，低于这个下限值 时将不能检测到声发射，这个下限值取决于监测系统对应变的灵敏度，即取决于能检测 到的试样表面的最小位移。由压电换能器组成声发射检测系统，可检测到的表面最小位 移。可表示为： 矿 露妇= 导 ( 2 6 ) 9 3 3 丘j 式中，。由检测系统决定的可检测的最小电压： 繇，换能器材料的压电常数； 露，换能器材料的弹性常数 大连理工大学硕士学位论文 c a r p e n t e r 等人认为声发射率与晶体内可动位错的密度变化有关，他们得到了声发 射计数率与可动位错密度的关系式为： d n ：1 0 。坠 d t d t 式中，掣单位时间的声发射计数，简称声发射计数率； d t 人。可动位错密度 从位错密度考虑，产生一个可检测到的声发射信号需要几百米长位错线的运动，这 大概相当于晶体内位错线总长的1 。这个理论与口c ，晶体的实验结果符合得比较好。 采用g i l m a n 提出的理论n 6 1 可以计算出可动位错的密度人。 a m 巩c p e x p 一孚 亿7 ， 硼， 【一孑j 心” 式中；s 。塑性变形量； 聊。位错增值系数； h 硬化系数； 仃作用应力的均方值 孪生变形也是塑性变形的一种基本方式，它与滑移变形不同。所谓孪生是两个位 向不同的晶体以一定方向关系通过某一晶面结合在一起的总体。一般来说，孪生变形比 滑移变形所需要的切应力大。 2 2 2 裂纹的形成和扩展 裂纹的形成和扩展也是一种主要的声发射，尤其对无损检测更为重要。裂纹的形成 和扩展与材料的塑性变形有关，一旦裂纹形成，材料局部地区的应力集中得到卸载，产 生声发射。 材料的断裂过程大体上可分为三个阶段，( 1 ) 裂纹成核；( 2 ) 裂纹扩展；( 3 ) 最终断 裂。这三个阶段都可以成为强烈的声发射源。 关于裂纹的形成已经提出过不少模型，如位错塞积理论、位错反应理论和位错销毁 理论等，这些模型都得到一部分实验事实支持。这里，我们从s t r o h 提出的比较适用于 管状结构的声发射研究 脆性断裂的位错塞积理论来讨论裂纹的形成与声发射的关系。在滑移带的一端，由于位 错向前运动碰到了障碍，如晶界、杂质和硬质点等，使位错塞积而造成应力集中。 根据c - n f 矗t h 理论【2 8 】，从能量的观点考虑， 吼= 4 y e i 对，就产生裂纹。 式中，e 弹性模量； l ，泊松比； y 表面能 这样，对各国同性藿体，取毋= 7 0 。，并考虑到e = 2 g ( 1 + v ) ，剩形成裂纹滑移蘧上所需 要的切应力为： g = 厩 ( 2 8 ) 当万。达到( 2 8 ) 式值时就产生裂纹，式中g 为切变模量。有入计算过，滑移面上的 位错数目n 与切应力的关系为 三： 曼堑 ( 2 9 ) l = 一 二了， 刀( 1 一y ) 吒 把( 2 9 ) 式代入( 2 8 ) 式，得到： 3 万。， 黠= o o 8 0 。b 在微观裂纹扩展成为宏观裂纹之前，需要经过裂纹慢扩展阶段。理论计算说明，裂 纹扩展所需要的能量比裂纹形成需要的能量约大1 0 0 倍到1 0 0 0 倍。裂纹扩展是间断进 行的，大多数金属都具有一定的塑性，裂纹向前扩展一步，将积蓄的能量释放出来，裂 纹尖端区域卸载。这样，裂纹扩展产生的声发射很可能比裂纹形成躬声发射还大的多。 当裂纹扩展到接近临近裂纹长度时，就开始失稳扩展，成为快速断裂。这时产生的 声发射强度曼大。 大连理工大学硕士学位论文 综上所述，声发射是固体材料变形、微观开裂、裂纹发生和发展的信息。声发射源 是圆体材料灾难性毁坏的发源地，僵因它的活动出现很早，因而缝来得及预防。 2 3 裂纹扩展与声发射 声发射是新型的动态无损检测技术。材料、结构件豳于外力作用或内部受力，其内 部存在的缺陷会由相对静止状态转化为明显的运动状态，同时释放出弹性能以应力波的 方式传递。根据应力波的特性分析判断缺陷的特点、状态帮发震趋势。声发射无损检测 技术可提供物体受力时缺陷活动的信息，因此管疲劳裂纹试验中采用声发射监测技术， 以研究疲劳裂纹的动态变化规律。 构件经受疲劳循环作用，在构件内出现疲劳裂纹以及裂纹的扩展，裂纹扩展到一定 程度，构件会完全断裂。构件的寿命在某种程度上取决于构件的微裂纹、疲劳循环周次、 裂纹扩展速度和临界裂纹深度。通过这项试验工作达到验证声发射监测可靠程度。了解 裂纹与缺陷存在的位鼍、活动状况、裂纹扩展与声发射能量的关系。 疲劳断裂声发射信号的特点：声发射信号从时域形态上可以分为两种类型：连续型 和突发型。金属疲劳断裂过程的声发射信号的实质就是瞬态的突发型声发射信号。如图 2 2 所示： 圈2 2 声发射信号参数 f i g 2 2 a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l sp a r a m e t e r s 图2 ，3 声发射参数 f i g 2 3a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l sp a r a m e t e r s 声发射参数与裂纹的关系，常用的波形分析参数有幅僮( a m p l i t u d e ) 振铃数 ( c o u n t s ) 、持续时间( d u r a t i o n ) 、上升时间( r i s et i m e ) 和相对能量( r e l a t i v ee n e r g y ) ， 其特征含义图2 。2 新示。 管状结构的声发射研究 由于传感器每振荡一次就输出一个振铃脉冲，它随载荷循环次数的变化情况集中反 映了疲劳裂纹信号的主要特征，因此我们使用声发射信号的振铃数来预测裂纹的扩展熟 读。 由材料的等幅载荷试验表明6 1 ，疲劳裂纹的扩展速率a , 2 d , v 随应力强度因子z k k 变 化，在双对数坐标上可用图2 3 表示。 图2 4 州洲一z k k 曲线 f i g 2 ad a | d n z k k c u r v e 图2 4 中i 区为初始稳定扩展区，该区存在一个疲劳裂纹扩展应力强度因子的阈 值，又称近门槛区。i i i 区为裂纹快速扩展区，它以平面应变材料的断裂韧性值为渐近线 在该区内急剧上升而产生瞬时断裂，因此又称非稳定裂纹扩展区。i i 区p a r i s 稳定扩展 区，是裂纹扩展的主要部分，可视为直线。 在p a r i s 稳定扩展区 3 1 ，裂纹扩展曲线符合p a r i s 公式： 嘉( 赵) ” ( 2 1 0 ) 式中c l 和m 是由材料决定的常数，z k k 为应力强度因子幅度( 赵= k 一一k ) ，a 为裂纹长度，n 为疲劳的循环次数。 在疲劳裂纹扩展的声发射研究方面，前人研究了低频循环下过阈值的声发射振铃计 数与应力强度因子之间的关系【2 0 1 ，并且建立了与公式( 2 1 0 ) 相类似的关系： 筹= c 2 ( 丛) ” ( 2 1 1 ) 式中，h 表示声发射信号的总计数；c 和n 是材料性质相关的常数。 大连理工大学硕士学位论文 从建立声发射参数与应力强度因子幅度方程来看，使用声发射信号的能量值更能反 应在疲劳载荷作用下，裂纹扩展的状况。所以可将式( 2 1 1 ) 改写成下式： 面d e = c 3 ( 必) p ( 2 1 2 ) 式中，e 声发射信号的累计能量； g 材料性质相关的常数； p 材料性质相关的常数 十是，将式( 2 1 2 ) 代人( 2 1 0 ) 口j 得万) i 茔l z 1 3 ) 面d a = c - 怯掰 亿 令g = c m ：b p 于是，式( 2 1 3 ) 可得： 鱼：c f 堕 b ( 2 1 4 ) d nld n 将式( 2 1 4 ) 的两边取对数后可以写为： l g 丽d a = b 1 9 两d e + l g c ( 2 1 5 ) 稠上述l 惮k d n l ) ，( 等) p 据，按上式作卧二乘法线性舱啊确定材料参数 b 和c 。 该方程建立了声发射参数( 能量) 与裂纹扩展速率相互关系的数学模型，是对零件 结构完整性进行预测、评估的主要依据。用能量来研究裂纹扩展的规律有两个很大的优 点：其一县詈俜感器与试件之间的耦合状况影响较小：其二是受设置的阈值影响较小。 管状结构的声发射研究 所以在本文研究中，采用声发射信号的能量建立与裂纹扩展之间的关系，还可以通过声 发射检测结采对构彳牛的疲劳裂纹扩展速率f 1 7 】和剩余疲劳寿命进行预测。 2 4 声发射波的传播 2 5 】 波源处的声发射波形，一般为宽带炎脉冲，包含波源的定量信息。然而，所测得的 波形，由于介质的传播特性和传感器频响特性之影响而变得非常复杂，与原波形有很大 不阍。从丽很大地淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此，波的传播对波形的影 响，是在实验条件设鼹、数据分析及评价中均需考虑的基本问题。 声发射波在介质的传播，根据质点豹振动方向和传播方向的不同，可梭成纵波、横 波、表面波、板波等不同传播模式。 ( 1 ) 纵波 质点的振动方向与波的传播方向平行。 夕尝：坠型弋7 2 a = v 2 v 2 盔 ( 2 1 6 ) o l p 式中，寥哈米尔顿算子，v ：导+ 芸+ 昙 c o y o z p 介质密度； 体积的相对变形； y 波速，v = 以+ 2 f l i p ； 五叫锄e 常数，磊= 2 a v 1 2 v ； y 泊松比； 1 剪切弹性模量 特殊情况，令善= 掌( p ，r = f = 0 ，即一维空间的纯压缩量。设质点只有羔方向振 动位移，由此v = 西缸，由式( 2 1 6 ) 得 警圻警 即善= 善( x ，) 是以波速圪= 再丽浍x 方向传撬的平面波。由于善= 善( 戈，f ) 是质点沿 工方向的振动位移，所以，质点振动位移和波的传播方向一致，压缩波即为纵波。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 横波 质点的振动方向与波的传播方向垂直。横波在介质传播时介质会相应地产生交变的 剪切变形故又称为剪切波或切波。因为液体和气体中缺乏恢复横向运动的弹性力，所以 液体和气体中不存在横波，即横波只能在固体中传播。 特殊情况，令r = r ( x ，f ) ，f = f = 0 即只考虑y 方向的位移不同而产生纯剪切变为： 挈川鲁 式中，v s = p ( 3 ) 表面波 在半无限大固体介质与气体的交界面上，可产生瑞利波，这是瑞利( r a y l e i g h ) 与 1 9 8 7 年首次研究并证实其存在的。波在固体表面( 澎平面) 沿x 方向传播。质点只在砂 平面内作椭圆振动，椭圆的长轴垂直与波的传播方向，短轴平行与传播方向。表面波沿 深度约1 2 个波长的固体近表面传播，波的能量随传播的深度增加而迅速减弱。椭圆运 动可视为纵向振动和横向振动的合成，即纵波和横波的合成，因此瑞利波和横波只能在 固体介质中传播。 ( 4 ) 板波 如果固体物质的尺寸进一步受到限制而称为板状，则当板厚d , n 某一程度时瑞利波 就不会存在而只能产生各种类型的板波。板波中最主要的一种兰姆波，狭义地讲，通常 所说的板波即指兰姆波。兰姆波是纵波与横波的组合波，他只能在固体薄板中传播，质 点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称型( 膨胀波) 和非对称波( 弯曲波) 两种。 在实际构件中，声发射波的传播要比理想介质中的传播复杂的多。在声发射检测中， 其对象均为有限介质。声发射波在有限介质中的传播、传播过程中的模式转换和传播速 度变化等问题尚不能做理论分析。但从上面的讨论中，我们可以大体上了解到，固体中 的弹性波有纵波和横波，横波的速度约为纵波的6 0 。在这些波碰到界面就要产生沿表 面传播的表面波，表面波的速度约为横波速度的9 0 。 管状结构的声发射研究 3 声发射技术 j尸及另一坟不 如图3 1 所示，声发射试验系统方框图。声发射源发出的弹性波，经介质传播到达 被检测物体表面，引起表面的机械振动。经声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信 号。声发射信号再经放大、处理后，形成其特征参数，并被记录与显示。最后，经数据 的解释，评估出声发射源的特性。 图3 1 声发射实验系统方框图 f i g 3 1 a c o u s t i ce m i s s i o ne x p e r i m e n ts y s t e mp a n eg r a p h 于声发射检测是一种动态无损检测方法，而且，声发射信号来自缺陷本身，因此， 用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置 和所受的应力状态不同时，对结构的损伤程度也不同，所以它的声发射特征也有差别。 材料或构件在载荷的作用下产生变形或断裂时，应变能会以弹性波形式释放出来， 即声发射信号，通过对声发射信号的监测和研究处理就可以获得材料断裂的一些参数。 3 1 声发射机理 声发射就是材料在外载荷或内力作用下以弹性波的形式释放应变能的现象。材料受 到外载荷作用时，由于内部结构的不均匀及各种缺陷的存在造成应力集中，从而使局部 应力分布不稳定。当这种不稳定的应力分布状态所积蓄的应变能力达到一定程度时，将 发生应力的重新分布，从而达到新的稳定状态。在这一过程中往往随着范性流变、微观 龟裂、位错的发生与堆积以致裂纹的产生与发展。这实际上就是应变能的释放过程。这 种被释放的应变能，一部分是以应力波的形式发射出去，由于最先注意到的应力波发射 大连理工大学硕士学位论文 现象是人耳可听领域内的声波，所以就称它为声发射。其实应力波发射的大部分频率范 围要比声频广得多，从次声到超声频率。实际上，金属材料的应力波发射大部分是处于 声域以上的超声范围，检测频率大都处在1 0 0 - - 3 0 0 k h z 。 由上所述，声发射的出现要具备两个条件：第一，材料要受外载作用。第二，材料 内部结构不均匀或有缺陷。 基于上述机理心4 1 ，对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利 用声发射来提供它们的动态信息。声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地。由于声发 射的活动往往在材料破坏之间很早就会出现，因此根据这些声发射的特点及其发射的强 度，不仅可以推知声发射源的目前状态，而且可以知道它形成的历史，预报其发展趋势， 从而进行状态监测和故障诊断。 3 2 声发射测量参数 ( 1 ) 事件数与事件计数率 一个声发射脉冲激发传感器，使之振荡并产生阻尼振荡波形，每一个这样波形称为 一个声发射事件( e v e n t ) ，在测试中所得到的事件总数称为事件计数，单位时间( 每 秒) 内的事件数称为事件计数率。 矿4 rl nqn f jlfi l 门 一 v v l，v u vu v i 、， 1 图3 2 声发射事件 f i g 3 2 a c o u s t i ce m i s s i o ne v e n t 图3 2 所示为一突发型声发射信号记录，从t 1 到t 2 计