“机器故障诊断学”(MD)在冶金设备上的应用研究(二)——声发射(AE)诊断技术

一、概述 众所周知,裂纹扩展会产生噪声。声发射(AE)诊断技术则是通过检测和量化这种现象,来估计和预测裂纹扩展范围以及裂纹扩展阈值。 AE诊断法在压力容器、核反应堆、机体等     

Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射研究

为了建立疲劳过程与声发射参数之间的关系,对压力容器常用钢材的典型代表——Q345R的疲劳裂纹扩展过程的声发射信号进行详细研究.结果表明:Q345R疲劳裂纹扩展的声发射过程分为三个明显的阶段,累积计数值和累积能量值可以很好地表征整个疲劳裂纹扩展过程;声发射参数在第2阶段到第3阶段的转折点比线弹性断裂力学定义下的要提前,表明声发射技术对疲劳进入失稳扩展阶段更加敏感;建立了Q345R声发射计数率和能量率与疲劳裂纹扩展速率的关系,它可以为Q345R剩余寿命的预测提供依据.      

钢轨钢断裂过程中的声发射振幅分析

对不同矫直制度下钢轨钢进行的脆断过程中,声发射振幅分析可准确确定材料的失稳断裂过程和局部开裂,同时解释了矫直钢轨的脆性断裂行为。本文提出,根据AE能量转换关系dN/dt→dW/dt和N=DK~4可把振幅曲线所围成的面积近似做为裂纹扩展的表面能,即W∞v。     

基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价

疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言,非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测,并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究,利用直流电位法测量实验中的裂纹长度,得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测,通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价,同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系,并进行寿命预测.研究表明:声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估,声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段,这可以为工程人员提供失效预警;声发射波形和频谱分析表明,噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长,信号包含的频率成分比较复杂,而裂纹扩展信号是突发型信号,衰减较快,信号频率主要集中在80~170 kHz范围内;声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系,裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义.      

简单加载条件对裂纹试样载荷——位移关系的影响

一个弹塑性材料裂纹试样的沿加载线的性移Δ在弹性范围之外可分成两部分:弹性部分Δe1和塑性部分Δp。本文报道了对Δp和外加载荷P之间关系的有限元计算和实验研究结果。计算和实验均表明Δp和P之间存在着指数律关系,即是ΔP～P~m。当简单加载条件满足时,指数m应该与材料在大应变条件下的应变硬化指数的倒数相当。然而,有限元计算表明,m值依赖于试样的类型,不是材料的常数。 指数律关系Δp～P~m为估算裂纹稳态扩展过程中任一时刻的裂纹长度以及确定裂纹扩展起始点提供了一种解析的方法。     

攀钢U71Mn重轨钢轧后空冷对低频载荷下疲劳裂纹扩展速率的影响

本文在低频(3.33Hz)载荷下，测定了重轨钢的疲劳裂纹扩展速率，采用扳状单边缺口型拉一拉试样，应力比R=0．1。结果表明，攀钢U7lMn重轨钢在疲劳裂纹亚临界扩展阶段，裂纹扩展速率与应力强度因子幅度的关系：da/dn=6.19×10^10-11△K^3.18空冷条件下冷却与经过埋冷处理的钢轨相比，在疲劳裂纹亚临商界扩展阶段没有明显的差别。在疲劳裂纹扩展的第三阶段，缓冷轨的da/dn偏高。     

准β热处理工艺对TC4-DT钛合金裂纹扩展行为的影响

研究了准β热处理工艺窗口参数(保温时间和加热温度)对损伤容限型TC4-DT钛合金的疲劳裂纹扩展行为的影响,并采用金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)从显微组织、裂纹扩展路径及断口形貌进行了分析对比。结果表明:随着保温时间从5 min延长至15 min,原始β晶粒尺寸从130μm增大到230μm,转变点处ΔKt由17.5 MPa·m~(1/2)增大至19.4 MPa·m~(1/2),当10 MPa·m~(1/2)≤ΔK≤20 MPa·m~(1/2)的低应力范围,裂纹扩展速率降低;随着加热温度从988℃升高至998℃,原始β晶粒尺寸从130μm增大至240μm,转变点处ΔKt由17.5 MPa·m~(1/2)增大至18.0 MPa·m~(1/2),转折点前的裂纹扩展区的裂纹扩展速率降低;当温度继续升高至1008℃时,原始β晶粒尺寸增大至400μm,转折点处ΔKt增大至20.5 MPa·m~(1/2),裂纹扩展速率在转折点附近降低,但在ΔK≥20.5 MPa·m~(1/2)的较大应力区域时,裂纹扩展速率无明显变化;温度升高或保温时间延长,裂纹扩展路径曲折度增加,二次裂纹数量增多、深度增加,断口表面粗糙度降低。     

Q700D热影响粗晶区疲劳寿命与小裂纹扩展分析

为提高焊接构件的动载疲劳寿命,以热模拟为试验手段,对Q700D高强钢进行了焊接热模拟,研究了粗晶热影响区的疲劳寿命、小裂纹扩展行为以及组织软化特征。利用Paris方程和轴向拉伸疲劳试验数据,建立了ΔK_(th)值与模拟粗晶区疲劳寿命的对应关系,利用ΔK_(th)值实现了快速预估粗晶区疲劳寿命。研究表明:相同应力幅值下的lgN值与ΔK_(th)值存在一定的线性拟合关系,即ΔK_(th)值越大,则疲劳寿命N越长。小裂纹扩展微观机理在于所形成的大角度晶界(不小于15°)对小裂纹尖端的止裂性较强,可迫使小裂纹尖端转向耗能。CGHAZ的软化与第二相粒子回熔与粗化有关,粗化的第二相粒子易萌生小裂纹,可通过提高大角度晶界抑制裂纹扩展。     

温度与应力比对6061铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响

为了研究温度与应力比对航空铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响,利用电液伺服疲劳试验机对6061铝合金材料开展了不同温度(室温、-70、150 ℃)、应力比(0.1、0.5)条件下的疲劳裂纹扩展速率试验,获得不同条件下的疲劳裂纹扩展速率曲线,揭示温度与应力比对疲劳裂纹扩展的影响规律。结果表明,在相同应力比下,室温与高温150 ℃下的疲劳裂纹扩展速率曲线(da/dN-ΔK)基本一致,低温-70 ℃下的疲劳门槛值与疲劳裂纹扩展速率明显提高,这表明低温环境下6061铝合金材料具有较高的抗疲劳裂纹扩展性能;在相同温度下,随着应力比的增大,疲劳门槛值降低,疲劳裂纹扩展速率升高。讨论了温度与应力比对疲劳裂纹扩展行为影响的可能原因。     

轧辊材料疲劳裂纹扩展理论计算与分析

辊面剥落是轧辊失效的主要形式之一。依据疲劳裂纹扩展理论,计算了轧辊材料裂纹扩展过程中裂纹扩展速率与应力强度因子幅的关系即da/d N—ΔK,分析了各因素对裂纹扩展速率的影响以及不同轧辊的裂纹扩展特征。结果表明,弹性模量、应力比、残余应力、晶粒度、断裂塑性、工作应力、断裂强度等对轧辊裂纹扩展速率的影响越来越不明显,弹性模量影响最大,而屈强比几乎没有影响;轧辊材料较高的弹性模量、较低的残余应力、较粗大的晶粒、较高的断裂塑性可以有效抑制轧辊裂纹的疲劳扩展;轧辊工作层比心部、支承辊比工作辊、锻钢辊比铸铁辊具有更高的耐裂纹扩展断裂能力。结果有助于分析轧辊失效机理并采取有效措施,防止轧辊剥落。     

块石对充填体损伤演化影响的声发射表征

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩实验,利用1 MHz的宽频声发射传感器采集峰值破坏前各阶段声发射参量,试验结果显示了块石对充填体不同承载阶段应力-应变水平的影响。对比应力-应变-累计声发射事件数关系,发现块石的掺入有利于降低充填体裂纹产生与扩展的速率从而使其承载能力得到加强。分析试验数据得到用累计声发射事件数表征充填体损伤程度的关系式,并得到2组试件的损伤-应变水平关系曲线。分析表明,块石的加入有效抑制充填体前期的损伤增长速率,并使得损伤激增段出现后延趋势。     

中碳车轮钢复合型裂纹疲劳扩展行为

为了准确评估含缺陷车轮轮辋的安全性,通过对I型裂纹、II型裂纹及不同加载条件下的I+II复合型裂纹的疲劳试验,对中碳车轮钢疲劳裂纹扩展方向及门槛值进行了研究,得到了车轮钢复合型裂纹疲劳扩展的门槛值,验证了适合中碳车轮钢材料的复合型裂纹疲劳扩展预测准则。结果表明,在I+II复合型裂纹疲劳扩展试验中,裂纹扩展方向与最大切向应力(MTS)裂纹扩展准则预测值基本吻合。不同加载状态下I+II复合型裂纹疲劳扩展等效门槛值ΔKth,equ(力值比R=0.5)为3.0～3.8 MPa·m1/2。II型裂纹疲劳扩展时,微裂纹主要在主裂纹尖端剪应力作用下形核,受到拉-剪应力的一侧裂纹持续扩展,而受到压-剪应力的一侧裂纹可以形成,但扩展几十微米后停止扩展。     

显微组织对X80钢疲劳裂纹扩展行为的影响

疲劳性能是油气管道安全设计和评价的重要参考因素。在MTS伺服液压万能试验机上，测定了贝氏体/铁素体(B+F)双相X80管线钢在不同应力下的疲劳寿命；使用MTS Landmark 250KN型疲劳试验机对C(T)试样的疲劳裂纹扩展速率da/dN进行了测定。结果表明，疲劳寿命随最大应力减小而增加，当最大应力降至最大工作应力460 MPa,疲劳寿命约为4.1×10⁵循环周次；疲劳裂纹产生于钢板表面，然后向内扩展，直至断裂。在Paris区，当ΔK=30 MPa m^1/2,疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK的关系曲线图出现转折点。研究成果可为高强钢的疲劳寿命预测和疲劳性能评估提供参考。     

高强高韧TB10钛合金棒材研究

介绍了Φ60mm×Lmm~Φ165mm×Lmm高强、高韧TB10钛合金锻棒和Φ120mm×Lmm,Φ140mm×Lmm圆柱加锥形空心盲孔锻件的研究结果。结果表明:合金棒材在高强(Rm≥1100MPa)状态下,获得了Rm-KIC-αKU2的良好匹配关系。为满足Φ165mm×Lmm高强、高韧TB10钛合金锻棒的高冲击使用要求,采用了创新的热处理工艺,获得了中强状态下最佳的Rm-KIC-αKU2匹配关系。用Φ85mm×Lmm锻棒研究了该合金创新热处理工艺的裂纹扩展速率da/dN,当log(ΔK)≤1.45(ΔK=28.18MPa·m1/2)时,Ti-6-22-22S合金比TB10合金低,log(ΔK)>1.45(ΔK=28.18MPa·m1/2)时,TB10合金比Ti-6-22-22S合金低。     

低碳贝氏体钢低温CTOD试验断口分离分析

通过对低碳贝氏体钢在-20℃CTOD试验中出现的分离断口进行微观分析,研究了断口分离和失稳断裂的原因.结果表明,断口分离面均为脆性断裂,至主断面为韧性扩展,分离裂纹产生的主要因素不是夹杂物,而是材料内部的带状组织和成带状的硬相组织受三维应力作用的结果.拉伸材料的分离裂纹是在达到一定抗拉强度之后开始萌生和扩展,不影响材料的使用性能.在断裂韧度试验中,一方面分离裂纹能降低材料裂纹尖端的三维应力约束,提高材料的韧性;另一方面较大程度的分离裂纹,减小了裂纹形核功和扩展功,诱发主裂纹的失稳扩展.     

一种简单的测试方法——双样法确定金属材料J_(1c)值的试验研究

本文依据裂纹扩展量Δa与施力点塑性位移Δ_p呈线性关系(在一定的Δa范围内)原理,提出了用双试样确定金属材料J_(1C)值的简便方法,论证了双样法的测试原理,验证了双样法的有效性。指出在应用双样法时,Δa的控制范围。本文还阐述了双样法的测试步骤,研究了材质均匀性对测试结果的影响。实验表明:该方法简便易行,较其他方法有较明显的经济效果,尤其便于工厂实验室采用。     

基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征

建立了煤岩受载破坏声电全波形同步采集系统, 对煤样单轴压缩破坏过程中的声电信号进行了全波形采集, 研究了声电信号能量与载荷降之间的相关关系, 并分析了声电信号的频谱特征. 结果表明: (1)煤体受载破坏过程中产生显著的声电信号; 电磁辐射信号是阵发性的, 仅伴随载荷降和较高强度声发射信号出现; (2)相对于声发射, 电磁辐射与载荷降有更好的相关性; 与煤体受载破坏的能量释放累积量相关联的声电信号能量和载荷降累计值三者之间均呈高度正相关; (3)电磁辐射优势频带窄于声发射, 前者主要集中在1~25 kHz, 后者主要集中在1~280 kHz; 受同一裂纹萌生和扩展的影响, 两者在频谱和主频分布上都有近似的低频成分.      

超高强度钢断裂韧性断口塑性延伸区研究

断裂韧性断口电子金相中,在予制疲劳裂纹区与失稳扩展区之间存在一个塑性延伸区,这已在铝合金、钦合金、钢等多种材料的研究中得到证实,但低合金超高强度钢的这方面报道尚少。本文对低合金超高强度钢40CrMnsiMoVA钢(以下简称A钢)和38Cr2Mo2VA钢(以下简称B钢)不同热处理状态下的断裂韧性断口进行了分析研究,探     

海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能研究

研究了海洋工程及船用主干材料ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能。采用旋转弯曲疲劳试验机、电液伺服材料试验机、扫描电子显微镜（SEM）分析和测试ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳强度、腐蚀疲劳裂纹扩展速率、腐蚀疲劳裂纹扩展路径和腐蚀疲劳断口形貌。得到在1×107循环周次下， ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的条件疲劳强度为204 MPa；在90%置信度、10%失效概率下， ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳强度为 185.91 MPa；在载荷比（R）=0.1条件下， ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的 Paris公式为 da/dN=1.7670×10-12×ΔK5.8899。腐蚀疲劳裂纹萌生于试样表面腐蚀坑处，以河流状花样扩展，扩展路径上会出现二次裂纹，裂纹扩展会经历第Ⅰ阶段、第Ⅱ阶段、高速扩展直至断裂阶段。疲劳条带一般出现在裂纹的第Ⅱ扩展阶段，这个阶段裂纹扩展速率中等，服从Pairs幂律关系，疲劳裂纹的扩展方向垂直于疲劳条带。该研究可为评估海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金构件的使用寿命提供重要参考。     

高强度织构对2524铝合金疲劳性能的影响

对分别含有高强度高斯织构和高强度立方织构状态的2种2524-T4铝合金板材的疲劳裂纹扩展速率和短裂纹扩展行为进行研究,用扫描电镜(SEM)观察疲劳试样断口形貌和疲劳短裂纹的扩展路径,研究织构类型对合金疲劳性能的影响。结果表明:高斯取向晶粒能够提高材料疲劳裂纹扩展的门槛值及增强疲劳裂纹的扩展抗力,使材料在更高的应力强度因子下发生失稳扩展;而高强度立方织构对疲劳性能的影响相对较小。在近门槛区,高斯晶粒通过裂纹偏转的形式有效阻碍短裂纹扩展,在稳态扩展区,高斯晶粒能明显降低疲劳裂纹的扩展速率,高斯织构还能延长合金疲劳裂纹稳态的扩展区,提高合金的疲劳损伤容限。因此,高强度高斯织构的2524-T4铝合金板材比立方织构的合金具有更好的疲劳性能。