带不同深度缺陷Q235B板材拉伸过程声发射特征

带不同深度缺陷Q235B板材拉伸过程声发射特征作者：张洪波付倞骅李小亭杨硕马哲来源：《中国测试》2016年第09期摘要：通过对带有不同深度缺陷的Q235B板材的拉伸试验，利用声发射监测材料拉伸过程，获得材料拉伸过程中声发射信号，结合载荷时间曲线对声发射能量、撞击数、幅值等参数进行分析，研究各阶段声发射信号变化，以及不同深度缺陷声发射信号变化趋势。

结果表明：声发射信号能够较好地反映损伤过程，屈服阶段声发射信号主要集中在下屈服点附近，随着缺陷的深度增加，下屈服点附近撞击数峰值有所下降；超过70 dB的幅值信号随缺陷深度增加而增多，其数量占总幅值数量的比例也随之增加；持续时间超过500 μs的幅值信号分为A、B两类。

试验结果对起重机械声发射监测的损伤判定提供依据。

关键词：声发射监测；Q235B；不同深度缺陷；拉伸试验文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）09-0130-040 引言起重机械是工业生产中不可或缺的设备，广泛应用于各类工业生产中。

起重机械的无损检测方法有：超声检测、磁粉检测、渗透检测等[1]。

声发射监测相对于其他无损检测技术的优点在于声发射监测可对设备实现实时监测、整体监测、连续监测，对活性缺陷较敏感，可实现粗略定位，能够对设备的早期故障进行诊断。

声发射技术在压力容器检测、高压气瓶检测、材料力学特性研究等领域应用日益广泛[2]。

梁志刚等[3]对16MnR/0Cr18Ni9Ti复合钢板损伤与断裂过程进行了声发射特性研究，发现不同损伤类型表现出不同的声发射特性。

张颖等[4]研究了20#钢的拉伸过程声发射信号频率特性，得到不同拉伸阶段声发射信号的双谱分布特性。

张忠政等[5]对锆金属拉伸过程声发射特性进行了研究，通道撞击等参数能够较好地表征锆金属拉伸过程不同阶段的损伤状况。

KHAN 等[6]对Fe-Si钢材中不同Si含量在不同温度下的拉伸试验进行了声发射检测，利用显微组织分析和波形分析，拉伸过程AE信号可分为断裂引起的低频信号（250～550 kHz）和晶间开裂的高频信号（550～750 kHz）。

Illkova等[7]研究了铝元素和钙元素对镁锰合金的影响，证明连续性AE信号主要由于塑性变形中滑移所致，而突发性信号主要由于孪生变形所致。

Sahoo等[8]对不同退火温度的304不锈钢进行拉伸试验，同时利用声发射监测，结果表明声发射能够表征不同退后温度对试件的影响，声发射计数在屈服点附近有最大值。

Merson等[9]利用声发射监测S235JR钢拉伸过程中的氢脆现象，结合声发射信号分析，低碳钢在负载情况下形成“鱼眼现象”不能简单地认为是剥离激励和替代机理。

Li Yang等[10]对经过淬火分配、调质处理和等温淬火不同热处理方法下的的35CrMnSiA钢的拉伸试验的声发射监测，结果表明声发射监测可以对经过淬火分配的该金属变形机理进行定性分析。

吴占稳[11]对起重机械用Q235和Q345板材拉伸过程声发射信号特征进行了分析，分析指出两种材料母材在上屈服点和下屈服点之间出现与其他阶段不同特征的声发射信号。

谢志龙等[12]利用不同取样方向的ST13冷轧钢板拉伸试验，总结出不同取样方向断裂声发射能量差异。

刘然等[13]对42CrMoA金属/玻璃钢柱壳胶接头的拉伸过程进行了声发射检测，结果表明较大的胶接长度对应的声发射信号越多。

本文对起重机械常用Q235板材制成拉伸试样，预制长度相同、宽度相同，深度不同的缺陷，对试样的拉伸全过程进行声发射检测，研究不同深度缺陷声发射信号之间的关系，为起重机械的声发射检测的损伤判定提供依据。

1 试验设备与方法1.1 试验准备拉伸试件选用6 mm厚Q235B板材，如图1所示，其中总长度为275 mm，平行长度为140 mm，原始标距为124 mm，过渡半径r为12 mm，夹持端宽度为30 mm，试验段宽度b为20 mm，试件中心位置预制长10 mm、宽0.5 mm、深度分别为0.5，1，1.5，2，3 mm的横向缺陷。

1.2 试验仪器与加载过程试件拉伸试验采用CMT5305型微机控制电子万能试验机控制，拉伸速度为2 mm/min，逐渐加载，直至试件完全断裂，同时利用Vallen公司的AMSY-5型全数字8通道声发射仪进行监测，试验采用线定位方法，在如图1的S1、S2处布置2个频带宽度为100～450 kHz，中心频率为150 kHz的声发射传感器，距缺陷均为60 mm，设置门槛值为40 dB，采样频率为2.50 MHz。

2 实验结果分析2.1 加载过程试件力学性能和声发射历程图分析载荷-时间、能量-时间历程如图2所示，撞击数-时间历程如图3所示。

由图2、图3可知，整个试验可分4个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩断裂阶段。

随着缺陷深度的增加，试件的力学性能越来越差，试件承受载荷能力逐渐减弱，屈服平台波动幅度逐渐变小。

试验整体呈现屈服过程相对延长，强化过程相对缩短的现象，试件从试验开始直至断裂整个过程时间也逐渐减少。

1）弹性变形阶段。

弹性阶段初期产生高能量信号，是由于试件两端与夹具夹头之间摩擦产生的噪声。

随着时间的增加，夹具与试件咬合紧密，声发射能量信号和撞击数迅速下降，说明弹性阶段缺陷的活动性低，缺陷未扩展，试件并未发生损伤，此时试件力学性能良好。

2）屈服阶段。

在屈服阶段，声发射能量信号和撞击数再次迅速攀升，这是由于材料内部晶格间发生滑移，造成塑性变形，产生声发射信号。

在下屈服点附近出现声发射能量信号峰值和撞击数峰值，随着缺陷的加深，屈服平台波动幅度逐渐变小，变得越发平缓，屈服阶段占全过程比例明显增加。

随缺陷深度的增大，下屈服点附近撞击数峰值有所减少，试件的声发射活动总量降低。

3）强化阶段。

强化阶段初期，声发射能量信号变强，同时撞击数增多，试样发生塑性变形，裂纹发生扩展，随着缺陷深度从0.5 mm增至3 mm，声发射能量信号从164 eu增大到722 eu，随后声发射能量信号下降趋于平稳，并且强化时间随缺陷深度增加逐渐缩短。

4）颈缩断裂阶段。

该阶段发生颈缩现象，材料截面积减小，致使材料发生形变的载荷急剧减少。

声发射能量信号和撞击数急剧增大，缺陷扩展，材料发生严重形变，直至断裂。

2.2 幅值/持续时间-时间历程分析幅值-时间历程图、持续时间-时间历程图、幅值-持续时间关联图如图4所示。

可知，幅值信号主要集中在40～80 dB之间。

弹性阶段初期出现高幅值信号，持续时间较长，随即迅速下降，断定其信号是试件与夹具之间摩擦产生的干扰信号。

进入屈服阶段，在下屈服点附近幅值信号攀升并伴随高幅值声发射信号，从幅值时间历程图中看出，随着缺陷深度的增加，超过70 dB的信号也随之增加。

强化阶段初期幅值信号再次升高，持续时间较长，而后除少量高幅值分散信号，幅值信号趋于平稳，随着缺陷加深声发射信号在强化阶段变得更加密集，对应持续时间也有所增加。

断裂阶段有高幅值产生，总体趋势与图2、图3分析吻合。

由图4幅值-持续时间关联图可知，试验过程中持续时间超过500 μs的幅值信号可分为两类A和B，A类信号为持续时间较长的超过60 dB的幅值信号，B类信号为持续时间较长的未超过60 dB的幅值信号。

经分析，A类信号主要在屈服阶段和强化阶段产生，B类信号主要为弹性阶段产生。

对于A类信号，其幅值信号大于60 dB，并且持续时间较长呈现分散趋势，该信号主要是由于塑性变形所引起，而少量信号为弹性阶段摩擦信号和断裂阶段缺陷扩展信号；对于B类信号，主要来源为弹性阶段的摩擦干扰信号。

由图4幅值-持续时间关联图可知，随缺陷深度的增加，超过70 dB的高幅值信号随之增多，并且持续时间更长。

分析可知超过70 dB的高幅值信号主要产生于屈服阶段和强化阶段，随着缺陷深度增加，幅值超过70 dB的信号数量占总信号数量的总比例变大，塑性变形发生更加明显。

3 结束语1）利用声发射技术监测Q235B钢材的拉伸过程发现，声发射信号能够较好地反映材料变形整个变化过程，通过对载荷、声发射能量信号和撞击数与时间关系对不同深度缺陷的材料变形各阶段进行分析，能够初步判定不同深度缺陷的声发射信号变化规律。

2）屈服阶段声发射信号主要集中在下屈服点附近，随着缺陷的深度增加，下屈服点附近撞击数信号峰值有所下降；强化阶段初期，声发射能量信号变强，同时撞击数增多，随着缺陷深度从0.5 mm增值3 mm，声发射能量信号从164 eu增大到722 eu，并且强化时间随缺陷深度增加逐渐缩短。

3）试验过程中持续时间超过500 μs的幅值信号可分为两类A和B，A类信号主要来源是屈服阶段和强化阶段产生的塑性变形，B类信号为弹性阶段摩擦引起。

4）随着缺陷深度的增加，幅值超过70 dB的信号数量占信号总数量的比例变大，塑性变形发生更加明显。

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