声发射技术在土木工程中的应用

声发射技术在正交异性钢桥面板疲劳损伤监测中的应用展望

目录

声发射技术在正交异性钢桥面板疲劳损伤监测中的应用展望 (3)

1.声发射技术及其原理 (3)

2.声发射信号的特点 (4)

2.1Kaiser效应 (4)

2.2金属破坏过程中的声发射 (4)

3.声发射在土木工程中的应用 (6)

3.1声发射在岩土领域的应用 (6)

3.2声发射在结构领域的应用 (7)

3.3声发射在桥梁结构中的应用 (7)

4.桥梁结构高周疲劳理论 (8)

5.声发射在桥梁结构疲劳监测中的应用 (9)

6.现有研究的不足及展望 (12)

声发射技术在正交异性钢桥面板疲劳

损伤监测中的应用展望

1.声发射技术及其原理

声发射技术（Acoustic Emission Technique）作为一门检测技术起步于20 世纪50 年代的德国，开始应用于材料研究最早在工程材料方面对声发射进行研究的当属1941年的Obert 和1942年的Hodgson,他们不仅提出了声发射检测的基本思想,而且研究了发现破裂点的定位技术,并想据此确定岩石中的最大应力区[1]。在60 年代开始应用于无损检测领域。我国则于70 年代开始应用声发射技术。声发射检测技术已广泛应用于石油化工工业、电力工业、材料及力学方面的研究、汽车工业、民用工程、航空航天、金属加工、焊接质量检测与监控等领域[2-3]。

固体物质在外界条件(机械载荷、温度变化等)作用下,其内部将产生局部应力集中现象。由于应力集中区的高能状态是不稳定的,它必将向稳定的低能状态过渡,在这一过渡过程中,应变能将以弹性波的方式快速释放,即声发射现象。各种材料的声发射范围很宽,从次声频、声频到超声频,所以声发射有时也称为应力波发射(Stress wave emission)。在地质上有时称为微震(Microseismic)。声发射是一种非常普遍的物理现象,大多数金属材料和几乎所有的岩石在塑性变形和断裂时都有声发射发生。在外部条件作用下，材料或零部件的缺陷或潜在缺陷

图 1 声发射监测原理

改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称为声发射。由于这种声发射弹性波能反映出材料的一些性质，故采用检测声发射信号的方法，可以判断材料或设备的某种状态。运用仪器检测、记录、分析声发射信号，并利用声发射信号诊断发射源状态的技术称为声发射检测技术。声发射检测技术是一种动态无损检测方法，它可以对检测对象进行实时监测，且检测灵敏度

高。此外，几乎所有材料都具有声发射特性，所以声发射检测不受材料限制，且不受检测对象的尺寸、几何形状、工作环境等因素的影响。[4]

2.声发射信号的特点

2.1Kaiser效应

1950年,德国科学家Kaiser发现受单向拉伸力作用的金属材料,只有当应力达到材料所受过的最大先期应力时,才会有明显的声发射(AE)出现,这就是著名的Kaiser效应[5]。Kaiser效应是材料在重复加载过程中出现的一种声发射异常现象。它表明岩石具有“记忆”其应力历史的能力。自从德国人J·Kaiser在1953年发现了金属材料的Kaiser效应以后,人们对岩石是否也表现出Kaiser效应的问题,一直持两种截然相反的意见。甚至1975年在美国举行的第一次地质结构与材料声发射学术讨论会上,对此也没有取得一致意见。但就在这次会议后不久,金川忠、林正夫等人报告了他们对凝灰岩的Kaiser效应的研究,以及利用这一效应确定岩石试件先前所受的最大应力的试验结果。到目前为止,已在几十种岩石中发现了Kaiser效应的存在,并提出了各种利用Kaiser效应测定地应力的方法。

材料在长期应力的作用下,由于蠕变裂纹的扩展,使某些晶粒损伤,导致晶粒的强度降低.因而在室内试验中,单轴压缩应力使强度降低的晶粒断裂开始产生声发射,此时所对应的应力为σ0,由于丙值小于地应力,显然σ0不能作为Kaiser效应应力.一旦施加的应力达到Kaiser效应应力水平,微裂纹开始扩展,晶粒大量断裂,声发射急增出现突变点,即在N−σ曲线上出现拐点,−σ图上脉冲群出现峰值.这样,我们可以对岩石声发射的Kaiser效应机理做如下解释:岩在dN

dt

石在长期地应力作用下,其本构物理关系渐趋稳定,其相应的a0及m值都为定值,故Kaiser效应所对应的应力[6]。

2.2金属破坏过程中的声发射

金属材料在外力的作用下,材料内部形成应力场,并产生相应的应变。外力增大时,应力和应变也随之变大,此时材料处于高能量状态,是不稳定的。塑性形变和断裂是材料在不同阶段松弛应力的两种主要方式,其释放出的一部分能量以应力波的形式进行传输,形成声发射。

图2是典型的低合金钢在形变时的声发射信号,在屈服极限附近,声发射信号出现峰值,

塑性变形的声发射主要是局部变形的不均匀性和微观屈服引起的。滑移和孪生是金属材料塑性变形的两种主要方式。滑移引起的声发射信号是连续性的,而孪生引起的声发射信号是突发性的。在加工硬化阶段,由于位错密度大大提高,降低了位错的可移动性,声发射的活动性也随之降低。大部分金属材料的声发射具有Kaiser效应。但是, Kaiser效应一般不是永久的,在第二次加载以前,将试样搁置足够长的时间,或者预先经过加热处理,那么在达到前次最大载荷之前就会产生声发射。影响塑性形变声发射的首要因素是材料的本质,即材料的成分及组织结构。例如非金属夹杂物或第二相粒子会明显增加形变时的声发射信号,在多晶材料中,晶粒的大小、均匀性、晶粒的取向也影响其声发射信号。其次,加载条件,结构件几何形状都对材料的塑性形变有影响,从而影响金属的声发射特征。[7]

图 2 典型的低碳钢应力-声发射曲线

在材料的断裂过程中,影响因素很多,在不同的断裂条件下,声发射信号特征有很大的差异。高强度钢受载时,裂纹尖端形成塑性区,产生声发射,裂纹扩展,声发射活动性增加,并产生振幅较大的信号(> 60dB)。而超高强度钢一直到最终断裂前也只产生少数的AE事件,这是由于该材料的裂纹扩展量小,抑制了声发射的活动性。后者的声发射特征是令人遗憾的,因为可用作预报的声发射事件数少,而断裂往往是突发性的,所幸的是这种材料断裂的AE事件有较大的振幅(> 60dB),是比较容易检测到的。高断裂韧性材料在平面应力条件下,通常以微孔聚合形式发生断裂,裂纹尖端塑性区的形成和裂纹的稳态扩展会产生声发射。但由于材料韧性高,声发射事件振幅小,往往使AE检测发生困难。在高韧性材料中,非金属夹杂物对AE特征有相当大的影响[8],非金属夹杂物界面的破坏和夹杂物的断裂使声发射活动性加大,声发射事件振幅也增大,从而增大了材料的声发射可检测性。