16mn钢疲劳过程中声发射特性的试验研究

16mn钢疲劳过程中声发射特性的试验研究

1声发射技术损伤可定义为导致材料和结构强度降低的微观结构变化，这些材料和结构强度是糟糕的。工程结构在服役一定的寿命后,由于承受循环载荷作用引起的疲劳损伤累积是导致结构最终失效的主要原因。及时、正确地评价在役工程结构的疲劳损伤程度,将为有关管理人员对服役结构做出合理决策,确保其安全运用提供依据。声发射技术(AcousticEmissionTechnique)因具有动态、实时检测等优点,自从20世纪60年代,德国Kaiser教授开拓此领域的研究以来,逐渐得到广泛的工程应用。但目前国内外应用声发射技术对金属材料和零部件的疲劳损伤评估以及剩余寿命预测方面得到的成果,距离该问题的圆满解决还有较大的差距。笔者借鉴前人的研究成果,采用该无损检测技术研究铁路常用材料16Mn钢的疲劳特性。本材料被所有提速客车广泛应用,因此,研究16Mn钢材料疲劳损伤评估的新型方法,将为推进铁路向着高速、重载的目标,实现跨越式发展提供技术保障。2测试2.1示例试验中采用的16Mn钢试样尺寸和16Mn钢的化学成分及机械性能参数分别如图1和表1所示。2.2声发射仪器和传感器试验中应用的设备主要有MTS810疲劳试验系统(MaterialTestSystem,见图2)、LOCAN320声发射仪、R15和R30声发射传感器(见图3),以及PAC公司专用AE前置放大器。2.3设备配置LOCAN320:门槛(Threshold)为40dB,系统增益(Gain)为15dB。2.4弹性塑料资源用耦合剂将声发射传感器耦合在试样薄弱部位的表面,并用弹性塑料箍紧,最后再用胶带固定,保证传感器和试样较好地接触并使粘合剂层尽量薄,这将更好地适于声发射信号的传播。图4给出了传感器和试样的相对关系示意图。2.5疲劳试验及结果首先分等级施加脉动载荷,根据得到的试验数据,修正16Mn钢材料的P-S-N曲线,然后选择合适的载荷,在疲劳试验全过程检测其声发射信号特征。试验中,选取3个等级的脉动载荷,即分别为0～80kN、0～70kN和0～65.4kN。具体实施安排如下:1)0～80kN载荷工况下,加载速率为5Hz,疲劳一定次数后实施了0～80kN的静拉试验,加载速率为1kN/s,采集此静拉伸过程的声发射信号特征;然后继续按上述试验条件施加疲劳载荷,至某循环次数后重复前述静拉伸,如此反复,直到试样疲劳断裂。两次静拉伸之间的循环次数间隔不等,为了更好地发现损伤对声发射的影响,较为随意地选取。2)0～70kN载荷工况下,加载速率依然为5Hz。疲劳试验前首先进行0～80kN的静拉,加载速率为1kN/s,采集此静拉伸过程的声发射信号特征;然后施加0～70kN的脉动载荷,至某循环次数后重复0～80kN的静载,继续疲劳试验,如此往复直至试样断裂。3)0.0～65.4kN载荷工况下,加载速率设置了5,8和10Hz三档。试验安排基本同0～70kN载荷工况,只是静载范围为0～70kN,脉动循环载荷最大值为65.4kN。如此以来,可以得到不同等级载荷下16Mn钢材料的疲劳寿命,如表2所示。根据参考文献所论述的求S-N曲线的成组法和上述表格所示的由试验得到的实际数据,得到的16Mn钢试样S-N曲线为lgN=20.0351-5.6599lgσmax。由此S-N曲线可计算得到疲劳寿命为100000次时,对应的脉动循环载荷最大值为94.43kN。故在全过程检测声发射信号特征的疲劳试验中,施加的脉动循环载荷范围为0～94kN,考虑到LOCAN320的内存有限,加载速率选为12Hz。3声发射特征参数将采集到的声发射数据根据传感器R15的有效频率范围,运用LOCAN320自身配置的后处理软件进行滤波处理,并绘制相关参数曲线。图5～图7所示的是某试样在0～94kN脉动循环疲劳试验全过程中声发射特征参数的情况。限于篇幅,此处不分析上述每次静拉过程中采集到的声发射信号特征,而仅给出疲劳试验全过程进行声发射检测的情况。另外,也鉴于分析表明对16Mn钢材料来说,R15型传感器采集声发射信号的效果优于R30型,此处也不再给出应用R30型传感器的试验结果。为了更好地分析振铃数和累计振铃数的变化规律,以下特别将图6和图7的关键部分放大,分别示于图8、图9和图10。4声发射的开始疲劳全过程检测的结果示于图5～图7。由图5可以看出,除了疲劳试验开始时有几个较大的声发射幅值点外,大而密的幅值点主要出现在疲劳循环的后期,中间阶段几乎没有声发射信号出现;图6显示出振铃数表征的声发射信号也主要在疲劳循环的后期发生,而在疲劳试验开始出现一些声发射之后,一直到再次出现强烈的声发射中间几乎没有任何声发射的迹象。图7所示的累计振铃数曲线更容易看出上述规律。将主要出现声发射的阶段分解出来,放大到如图8～图10所示。由图8可以看出疲劳试验刚开始就出现了声发射,这是因为脉动循环载荷的最大载荷达到94kN,超过16Mn钢的屈服极限,且加载频率为12Hz。此后不出现声发射可以理解为材料性质没有出现可以产生声发射的变化。到疲劳试验至1550s时,开始再次出现较起始时更强烈的声发射现象(见图9),便可以归于经过相当长时间的疲劳载荷作用,材料出现了损伤。在生产实际中,如果用声发射技术监测结构或构件的损伤,如果出现这种情况,就要引起重视了。5声发射试验结果通过对试验结果的分析可以得出如下结论:1)笔者得出了铁路常用材料16Mn钢材料修正的S-N曲线。尽管得到试样疲劳性能参数的方法并没有完全遵循疲劳试验规程中连续进行疲劳试验的要求,而是间断并实施了等于或略大于脉动循环载荷最大值的静拉伸,但结果证明,这种加载方式并不影响S-N曲线系数的回归,即未引入影响疲劳的损伤。这为结构在经过一定时间运用后,可以利用对结构施加静载进行常规检测提供了理论依据。2)试验结果证明,应用声发射技术可以定性描述16Mn钢材料经过