基于聲發射技術的金屬高頻疲勞監測

本文采用聲發射技術監測高頻疲勞條件下，金屬材料裂紋的擴展。詳細介紹了如何運用軟、硬件處理的方法，從采集到的信號中分離出裂紋擴展的聲發射信號。從處理后的聲發射信號與觀察得到的裂紋擴展對比來看，聲發射參數的變化能夠有效地反映材料疲勞裂紋擴展的過程，并且能更早地發現試樣內部微小裂紋的變化。通過試驗，得出了緊湊拉伸試樣在裂紋穩定擴展階段聲發射信號能量率與應力強度因子幅值之間的關系式。
關鍵詞：聲發射；高頻疲勞；裂紋擴展；信號分析

1引言
聲發射已成為材料科學與工程方面研究的一個熱點課題，取得了許多有意義的成果[1-4]，尤其是對那些經典疲勞研究方法難以解決的問題，例如對細微裂紋的活動研究，提供了一種新的研究手段。人們也嘗試過聲發射技術在材料疲勞監測方面的研究，找出了聲發射參數與材料的裂紋長度及應力強度因子之間的關系。但前人一般都是用液壓疲勞試驗機做低頻疲勞試驗[3-6]，這主要原因是聲發射檢測儀器非常靈敏，在材料的試驗過程中，易受到試驗機激振及夾具碰撞等因素的干擾，難以區別真實的裂紋擴展信號和各種噪聲信號。本文嘗試運用聲發射信號處理技術進行金屬材料在電磁激振高頻疲勞下的裂紋擴展研究。
在材料的疲勞研究中，疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子的關系一般采用半經驗的Paris公式[7]：
(1)
式中C1和n是由材料決定的常數，為應力強度因子幅度（），a為裂紋長度，N為疲勞的循環次數。
在疲勞裂紋擴展的聲發射研究方面，前人研究了低頻循環下過閾值的聲發射振鈴計數與應力強度因子之間的關系[9-12]，并且建立了與公式（1）相類似的關系：
(2)
式中，H表示聲發射信號的總計數；C2和m是材料性質相關的常數。
從建立聲發射參數與應力強度因子幅度方程來看，使用聲發射信號的能量值更能反應在疲勞載荷作用下，裂紋擴展的狀況。所以可將式（2）改寫成下式：
(3)
式中，E表示聲發射信號的累計能量；C3和是與材料性質相關的常數。用能量來研究裂紋擴展的規律有兩個很大的優點：其一是受傳感器與試件之間的耦合狀況影響較小；其二是受設置的閾值影響較小。所以在本文研究中，采用聲發射信號的能量建立與裂紋擴展之間的關系，還可以通過聲發射檢測結果對構件的疲勞裂紋擴展速率和剩余疲勞壽命進行預測[5,10]。
* 國家自然科學基金（項目編號：50005006）和北京市自然科學基金重點項目（項目編號：3011001）資助。
2試驗研究
2.1 試樣
試驗的緊湊拉伸試樣的材料選用16MnR鋼，該材料為低合金高強度容器專用鋼，材料的熱處理狀態為熱軋供貨狀態。三塊試樣相同。材料的化學成分和主要機械性能見下表：
表1材料的化學成分及機械性能(室溫)
Table 5-1. Material composition and mechanical properties at room temperature

緊湊拉伸試樣的尺寸和加工精度按照美國材料試驗協會標準ASTM E399-90的要求加工，如圖1所示。按標準的規定，試樣的厚度，本文試樣取W=50.8mm，B=20mm，并用線切割技術預制了一條長為2.5mm的人工裂紋。
2.2 試驗機
疲勞試驗機使用的是長春試驗機所制造的PLG-100C高頻拉壓疲勞試驗機，該機器的載荷與其試樣保護都采用微機控制。疲勞試驗中應力循環比R的值為0.1。試樣是通過銷軸、U形夾具、壓緊環和疲勞機相連接。
2.3 聲發射監測系統
試驗中安裝了四個聲發射傳感器，分別編號為S1、S2、S3和S4。S1和S2號傳感器安裝在試樣預制裂紋的兩側對稱的位置，如圖1所示。傳感器S3安裝于U形夾具上，S4安裝于試驗機的壓緊環上，如圖2所示。
S3和S4傳感器的裝設有兩個目的，第一，為濾波和辨識噪聲的需要，即起警戒傳感器的作用；第二，為實現間接測量的需要，即傳感器不直接耦合在被測的試樣上，實現間接測量。
聲發射信號經傳感器接收送至前置放大器，再進入主放大器進一步放大和信號調理，調理后的信號進入主處理機采集和分析。
聲發射監測系統的傳感器、放大器等硬件的選用以及軟件參數的設置都是根據試驗的實際狀況做出。傳感器S1和S2選用的是20k～1.0MHz的寬帶傳感器，分別為德國Vallen公司和日本Fuji公司生產。選用寬帶傳感器的目的，是為了獲得更豐富的聲發射信號，便于后面的聲發射信號分析和處理。傳感器S3和S4選用的廣州聲華公司生產的R15型高靈敏度諧振式傳感器，其頻率范圍是100kHz～400kHz。此處選用窄帶諧振式傳感器的目的是保證傳感器的高靈敏度，如果采用同類的寬帶傳感器監測的效果將差一些。四個前置放大器采用的帶寬跟傳感器的帶寬一致，前置放大器增益為34dB。撞擊定義時間設為500(s，采樣長度為4k。試驗前聲發射儀各通道的靈敏度都經過仔細校準，以保證儀器的正常可靠工作。聲發射儀選用的是廣州聲華公司的WAE2002型多通道全波形系統。
2.4 外觸發器
在加載循環過程中，在低應力時裂紋閉合，在高應力時裂紋張開并擴展。裂紋擴展釋放出應變能，也就出現聲發射信號。在裂紋閉合時，由于裂紋表面的摩擦而產生噪聲。要獲得裂紋擴展時的聲發射信號，必須要將裂紋閉合時的聲發射信號分離出去。為了盡可能使采集到的信號噪聲少一些，在本實驗中專門設計了一個外觸發器。外觸發器是將疲勞試驗機測力計輸出的電壓與參考電壓（閾值電壓）進行比較，若高于這個閾值電壓的信號將產生脈沖電平，使采集卡觸發并開始采集信號。閾值電壓選用的是85％的最大疲勞載荷時測力計的輸出電壓。這樣處理以后，在所采集到的信號中，裂紋擴展的聲發射信號比例大大提高，而且減少了采集數據的量。
圖2 疲勞試驗及聲發射監測系統的布置圖
2.5 試驗數據采集
疲勞試驗機開始加載后，先進行噪聲信號的測量，此時沒有裂紋擴展信號，所采集到的信號均為各種噪聲信號，以此時的信號為噪聲的樣本信號，找出噪聲信號的特征，從所采集到的信號中剔除它們。
通過分析和前幾個類似試樣的經驗，聲發射儀正式開始采集是在疲勞試驗開始后1小時進行，其目的是為了減少數據量，因為在本文試驗條件下，前1小時不會出現疲勞破壞。在這段時間內先進行背景噪聲的測量，再根據檢測情況設置好儀器各種參數。兩臺計算機的系統時間在試驗前應仔細校對，以便兩者能在統一的時間下進行數據比較。以下所述及作圖用的時間都是從聲發射信號開始采集時算起。
3裂紋擴展信號的識別方法
在本文的試驗中，除了裂紋擴展的聲發射信號外，還有以下噪聲信號：第一種是內部電子器件，傳輸電纜等產生的電磁噪聲；第二種是外部的干擾噪聲，這類噪聲較多，主要有：疲勞機電磁激振產生的振動噪聲，試樣與夾具連接的銷軸的摩擦噪聲，裂紋閉合時的摩擦噪聲。下面的部分將討論減少噪聲的措施和噪聲的分離與排除，最終得到裂紋擴展的聲發射信號結果。
3.1 硬件方法降噪
疲勞機的激勵共振頻率較低，所以外界機械振動產生的較高幅度的噪聲信號，其頻率相對較低，一般在20kHz以下。所以在傳感器、前置放大器以及主放大器內的濾波器都是20kHz以上的高通器件，這樣高幅度的振動信號在所采集的信號中不會出現。但由于聲波傳播的復雜性，以及各種色散效應，采集的信號還是含有共振噪聲信號。
另一個硬件降噪的方法，如前所述采用外觸發器，讓采集卡只在試樣受拉伸時采集數據。這時在采集的信號中裂紋擴展信號所占的比例就大得多。如圖3所示。我們只需采集圖中陰影部分裂紋在高應力作用下擴展時的信號。
3.2 信號的軟件處理和辨識
對于儀器內部的電磁噪聲，跟疲勞試驗的外界機械噪聲相比，這類噪聲的幅度相對較小，而且這類噪聲一般具有高斯白噪的特點，使用小波降噪方法，可以大幅度地減少這些噪聲的干擾。
裂紋閉合的摩擦噪聲和電磁噪聲通過上述的硬件方法和小波去噪的方法基本消除，剩下的主要是機械共振產生的機械振動噪聲以及銷軸與試樣在受交變力作用下的撞擊聲發射信號。從圖2可見，傳感器S3和S4起到警戒傳感器的作用。由于機器共振產生的聲發射信號，四個傳感器都能接收到，而且其信號的類型和頻譜特征也應基本相同，由于S3和S4是靈敏度更高的窄帶諧振傳感器，所以這兩個傳感器接收到來自機器共振聲信號的幅度應大一些。機器共振信號要根據其特點：首先，其幅度一般不超過0.6伏；其次，這類信號四個傳感器都能接收到，其中S3和S4的信號幅度在傳播中沒有明顯的衰減而變小的現象，而是跟S1和S2信號幅度差不多或更大一些，這說明信號并非來自試樣本身。有了這兩個特征，就可以用S3和S4為參考信號，逐個對比S1和S2采集到的信號，將符合這兩個特征的信號去掉，也就除去了由于機器振動產生的噪聲。
銷軸與試樣的摩擦和撞擊產生的聲發射噪聲信號排除是個難題。在背景噪聲測量中，同樣可以得到它們的聲發射信號。圖4給出了試樣與夾具間碰撞產生信號的頻譜圖。從圖中可以看出，信號的頻率范圍較寬，最大值出現在60kHz處，且低于100kHz的頻率分量占相當大的一部分。而對于金屬
圖5 裂紋擴展的聲發射信號及其頻譜圖
裂紋擴展信號，人們做過很多次的實驗表明，其主要的頻率范圍在100kHz至550kHz之間，在
這個頻帶范圍內聚積了聲發射裂紋擴展信號的絕大部分能量[13]，是這類噪聲信號的突破口。試樣中的裂紋擴展聲發射信號，從圖5中看出，其頻率分量主要集中于100kHz以上，而且其幅度遠較低頻分量信號大（對比圖4）。
至此我們已經描述了各種干擾噪聲的特點和減少它們影響的方法，通過處理就可以從所采集到的聲發射信號中分離出噪聲，獲得較為"干凈"的裂紋擴展聲發射信號。
4試驗結果分析
裂紋的擴展長度與循環時間的人工測量結果如圖7所示。人工測量得出的方法是：試驗前在試樣的兩表面以人工預制裂紋（線割2.5mm）尖端為起點，每隔0.5mm劃上刻度線，試驗過程中，觀測人員借助放大鏡讀出裂紋擴展的長度值，取兩表面讀數的平均值為測量結果。從圖可看出，在聲發射信號采集40至41分鐘時，開始觀察到裂紋的擴展，42到67分鐘之間裂紋呈緩慢地擴展狀態，在67分鐘左右突然出現快速擴展的趨勢。
圖6給出了聲發射信號的撞擊數率與試驗時間的關聯圖。從圖6可以看出聲發射信號的變化規律與實測裂紋擴展的變化規律相類似，也就是說聲發射信號的變化反映出了高背景噪聲下疲勞裂紋的變化。圖6中，在38到41分鐘，以及65至70分鐘時聲發射的撞擊數率有著非常明顯的增大。更值得注意的是，在圖6的第38分鐘時，聲發射撞擊數率已經有了很大的變化，說明此時試樣內部有大量的聲發射事件發生，而在圖7的相應時間點沒有任何可見變化。聲發射信號說明此時材料內部有微觀起裂或裂紋擴展，它的發現要明顯早于試樣表面的宏觀裂紋變化。所以說用聲發射監測材料的高頻疲勞是完全可行的，而且能及時反映出材料內部疲勞損傷的變化。
在引言部分討論過，可以建立聲發射參數與應力強度因子幅值之間的關聯，而且提出用能量的表示方法更能反應在疲勞載荷作用下裂紋擴展的狀況。為此將聲發射信號分析處理后獲得的聲發射能量與疲勞循環次數的關系做成圖8，圖中曲線是由計算機采集處理的聲發射信號按3.2節方法進行處理后得到的聲發射能量曲線。
從圖8看出，在循環次數為以前，聲發射信號的累計能量很小，相對應的應該是裂紋未發生擴展的階段（或稱第一階段），在循環次數為至之間聲發射能量處于穩定的緩慢增加階段（或稱第二階段），當循環次數超過以后，聲發射能量呈現快速增加的趨勢（或稱第三階段）。但聲發射能量變化的拐點，總是先于人工觀測到的裂紋變化，這說明聲發射技術的靈敏度高，由此也可說明，用聲發射技術能監測到材料內部裂紋的活動情況。同樣對于本試驗材料的起裂點，聲發射能量上的判斷為496500次循環左右，早于人工用放大鏡觀察到的520000次循環左右。
圖7 裂紋擴展長度隨循環時間的變化 圖8 聲發射總能量隨循環次數的變化圖
對于張開型疲勞裂紋擴展方式，考慮緊湊拉伸試樣的幾何效應和結構效應對應力強度因子的影響，其應力強度因子幅度可由相關公式計算得到[5]。我們還得到了如圖8所示的聲發射能量與循環次數的試驗值，就可以求出式（3）中的與材料性質相關常數C3和。對于裂紋穩定擴展階段，從上述試驗的數據可計算出：C3=， =2.69。顯然式（4）可以寫成如下方程：(5)
5結論
本文的聲發射檢測和分析技術，可以應用于高頻疲勞試驗機上金屬試樣裂紋擴展的監測，而且在復雜噪聲背景下能夠獲得真正裂紋擴展的聲發射信號。將聲發射信號的能量與循環次數進行關聯，能得到與人工觀測的裂紋擴展相同的變化規律，但聲發射方法更為靈敏，可監測到材料內部的微小裂紋的擴展，而這個擴展要早于人工觀察到的裂紋變化。
根據本文提出的分析技術，還得到試樣的聲發射能量與疲勞循環次數以及應力強度因子之間的關系式：。按此公式，通過聲發射信號能量的短時監測，可以在工程上對運轉中的機械裝備進行疲勞裂紋擴展和剩余疲勞壽命預測，但在疲勞壽命預測方面還需做進一步的實驗研究。