CN107422041A - 一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法 - Google Patents

一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，本方法利用声发射技术，通过监测和分析X100管线钢在断裂韧性实验过程中的声发射特征，得出计数累计、能量累计斜率的转折及较高幅值出现时的时刻，确定起裂时刻，同时使用直流电位技术监测试样两端电压变化，通过将起裂时刻声发射信号特征同直流电位电压变化相比较，来验证声发射结果的准确性，增强结果的说服力。

Description

一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂 载荷确定方法
技术领域
本发明属于材料科学领域，尤其是一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法。
背景技术
声发射(Acoustic Emission,简称AE)是材料或者结构在外力或者内力作用下，产生变形或损伤的同时，以弹性波的形式释放出部分应变能的一种自然现象，是材料内部由于不均匀的应力分布所导致的由不稳定的高能态向稳定的低能态过渡时产生的松弛过程，声发射技术是根据材料或者结构内部发出的这种弹性波来判断材料或者结构内部损伤程度变化的一种无损检测方法。由于声发射技术可以进行实时监测的优点，使其在断裂韧性中关于对裂纹开裂载荷确定方面有了很大的应用。许多研究者也将声发射技术应用到了很多材料的断裂韧性实验中。Roy研究了四种材料断裂韧性测试过程中声发射信号特征，得出裂纹起裂点主要特征是高幅值，同时伴有能量累计、计数累计曲线斜率的突然升高。Arli也认为裂纹的起裂点可以通过计数和COD曲线斜率的转折点得出。所以，综上所述，断裂韧性实验过程中，主要是从累计能量、累计时间的斜率转变或者高幅值信号的出现，来判断裂纹开裂点。由于声发射信号易受很多噪声信号的影响，这些研究，并没有通过其他有效的监测方法证明这些信号的突然变化即为裂纹起裂引起，而非环境噪声或其他因素引起，因此在工程中没有较强的说服力。
因此，需要一种同声发射技术相结合的监测方法，来验证通过声发射信号的变化确定断裂韧性起裂载荷的准确性，从而使声发射结果具有更强的说服力。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种更加准确地基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法。利用声发射技术，通过监测和分析X100管线钢在断裂韧性实验过程中的声发射特征，得出计数累计、能量累计斜率的转折及较高幅值出现时的时刻，确定起裂时刻，同时使用直流电位技术监测试样两端电压变化，通过将起裂时刻声发射信号特征同直流电位电压变化相比较，来验证声发射结果的准确性，增强结果的说服力。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，按照下列步骤进行：
步骤一、将待测样品切割成三点弯试样，在高频疲劳机上预制出疲劳裂纹；
步骤二、将声发射仪器的传感器同试样间用真空机进行耦合，同时用胶带和皮筋将其固定于三点弯试样的一侧；设定声发射仪器中声发射检测系统参数；
步骤三、在裂纹嘴两端2mm处及试样两端分别与导线相连，裂纹嘴两端导线与电压记录装置相连，实时记录电压示数，试样两端导线与恒流源相连；
步骤四，将引伸计卡在三点弯试样刀口上，用来测量试验过程中裂纹嘴张开位移，对三点弯试样施加载荷，试验的同时对声发射信号进行采集，主要包括计数累计，能量累计，幅值三个特征参数，对直流电位电压变化进行记录；
步骤五，分析声发射信号，找出第一个高幅值出现及计数累计和能量累计斜率突然升高的时刻，初步判定此时刻即为X100管线钢裂纹起裂时刻；
步骤六，将声发射信号同直流电位电压数值及电压的一阶导数数值相结合，分析声发射方法初步确定的裂纹起裂时刻，电压及其导数的变化，验证声发射结果的准确性；
步骤七，利用PV曲线得到开裂时刻的裂纹嘴张开位移和开裂载荷。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述的待测样品为X100管线钢。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述的疲劳裂纹的宽度为1-2mm。
在上述技术方案中，在步骤二中，所述的声发射检测系统参数为：采样率1MSPS，采样长度1K，前置放大器放大倍数40dB，幅值门槛值40dB。
在上述技术方案中，在步骤三中，所述的恒流源的恒电流大小为15A。
在上述技术方案中，在步骤四中，所述施加载荷的试验速度为1mm/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法同现有的单纯声发射技术相比较，排除了由于环境因素或者其他因素造成声发射信号突变的可能性，验证了声发射结果的准确性，使结果具有更强的说服力。
附图说明
图1是本发明中采用的三点弯试样尺寸和声发射传感器、直流电位安装位置示意图。
图2是试验过程时，声发射信号能量累计和幅值变化情况。
图3是试验过程中，声发射信号计数累计和幅值变化情况。
图4是试验过程中，直流电位输出电压和声发射信号幅值的变化情况。
图5是试验过程中，直流电位输出电压的一阶导数和声发射信号幅值的变化情况。
图6是X100管线钢PV曲线，通过声发射信号和直流电位变化确定的起裂时刻ti，确定起裂载荷Fi和起裂韧性δi。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
请参阅图1所示，本发明提供一种更加精确地基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，采用声发射传感器、恒流源和电压记录装置，声发射传感器连接声发射采集系统，具体步骤如下：
第一步，将X100管线钢切割成三点弯试样，在高频疲劳机上预制2mm疲劳裂纹。
第二步，将声发射仪器的传感器同试样间用真空机进行耦合，同时用胶带和皮筋将其固定于三点弯试样的一侧
设定声发射仪器中声发射检测系统参数设置：采样率1MSPS,采样长度1k，前置放大器放大倍数40dB，幅值门槛值40dB。
第三步，在裂纹嘴两端2mm处及试样两端中心处分别用点焊机将其与导线相连。裂纹嘴两端导线与电压记录装置相连，可以实现实时记录电压示数。试样两端导线与恒流源相连，恒电流大小为15A。
第四步，将引伸计卡在三点弯试样刀口上，用来测量试验过程中裂纹嘴张开位移。对三点弯试样施加载荷，试验速度为1mm/min，试验的同时，对声发射信号进行采集，主要包括计数累计，能量累计，幅值三个特征参数，对直流电位电压变化进行记录。
第五步，分析声发射信号，找出第一个高幅值出现及计数累计和能量累计斜率突然升高的时刻，初步判定此时刻即为X100管线钢裂纹起裂时刻。
第六步，将声发射信号同直流电位电压数值及电压的一阶导数数值相结合，分析声发射方法初步确定的裂纹起裂时刻，电压及其导数的变化，验证声发射结果的准确性。
第七步，利用PV曲线得到开裂时刻的裂纹嘴张开位移和开裂载荷。
下面同时试验验证本发明的方法的效果。首先制备X100管线钢三点弯试样，试样宽度24mm，厚度12mm，跨距96mm，采用高频疲劳试验机，预制2mm疲劳裂纹，使得缺口长度a为宽度的0.5。断裂韧性试验在DDL300万能试验机上进行，加载速率为1mm/min，使用引伸计测量缺口张开位移。
断裂韧性试验过程中，对声发射信号进行监测。试验所用声发射为美国声学物理公司研制的SAMOSTM八通道声发射测试系统，该系统采用现代数字信号处理技术。它的基本工作原理是材料或结构在受到外部或内部作用时会发生变形或断裂，释放出应变能，以弹性波的形式在材料中传播，引起被检测试件表面的振动，当这些振动传播到耦合在试件上的传感器时，传感器表面晶体因此产生变形，由于压电效应，产生电荷。该压电效应将试件表面的振动转换成电压信号，再通过仪器放大处理后以参数或者波形的形式表现出来，便于信号处理。设定声发射仪器中声发射检测系统参数设置：采样率1MSPS,采样长度1k，前置放大器放大倍数40dB。用砂纸在将传感器在试样布置的地方打磨光滑，用真空脂进行耦合，并用胶带和皮筋固定于试样一侧，如图1所示。试验开始前，进行声发射传感器“断铅”标定，断铅信号在90dB以上，证明声发射传感器与试样耦合较好。
断裂韧性试验过程中，同时使用直流电位法记录试样两端电压变化。在裂纹嘴两端2mm处及试样两端中心处分别用点焊机将其与导线相连。试样两端导线与恒流源相连，恒电流大小为15A。裂纹嘴两端导线与电压记录装置相连，可以实现实时记录电压示数。裂纹扩展阶段，由于韧带区面积的减小，电阻会不断增大，电压示数也会逐渐变大。结合直流电位电压及其导数变化与声发射信号特征共同确定起裂时刻。
对声发射信号计数累计、能量累计、幅值进行分析，如图2、3所示。由声发射信号可以看出实验过程主要分为三个阶段。
第一阶段，幅值比较低，计数累计和能量累计增长的也很缓慢，该阶段声发射源主要是位错增值、少量塑性变形以及夹具与试样间的摩擦。随着力逐渐增大，缺口尖端应力集中区域越来越大，塑性变形越来越大，位错运动逐渐加剧，声发射信号幅值增大，计数累计和能量累计增长迅速，此阶段为第二阶段。随着塑性变形不断增大，位错塞积逐渐严重，导致位错运动受阻，同时Refs研究报道韧性裂纹扩展过程是个相对安静的过程，因此第三阶段声发射信号幅值再次降低，计数累计和能量累计也逐渐变慢，但仍能观察到由于裂纹扩展产生的幅值较高的声发射信号。
可以看出在t＝288.8s时，幅值第一次出现了较高值，计数累计和能量累计曲线也第一次有了较大斜率转折，按照过去的很多研究结论，即可定义此点为裂纹起裂时刻。但由于声发射信号易受很多噪声信号的影响，单纯依靠声发射信号特征来定义起裂点，并不能具有较强的准确性和说服力。为此，本发明同时通过直流电位计数，即可实现论证声发射信号特征结果的准确性，从而增强其说服力。试验过程中，电压及其一阶导数和声发射幅值随时间的变化如图3，4所示，可以看出在t＝288.80前，电压处于波动阶段，基本变化不大，这一时刻后，电压斜率开始明显增大，电压开始快速增长。通过电压变化及声发射信号的共同分析，即可认为此刻即为起裂时刻，之后随着外力逐渐增大，裂纹扩展速率越来越快，电压斜率也越来越大。通过电压及其一阶导数在裂纹开裂时间附近的变化，即可排除由于环境因素或者其他因素造成该时刻声发射信号突变的可能，证明了通过声发射计数累计、能量累计和幅值信号特征变化确定的裂纹起裂点的准确性。因此本发明涉及一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，既解决了直流电位精确度不高的困难，又排除了环境因素或其他因素影响声发射信号的可能，使测量结果具有更高的准确性和说服力。
最后，将声发射信号同三点弯PV曲线结合，算出开裂时刻对应的载荷Fi＝20.416KN，如图5所示，用下列公式(1)的计算公式计算出断裂韧性，δi＝0.1236mm
上述公式中为试件几何形状尺寸，公式为：
其中，B为试件厚度，W为试件宽度，S为跨距，z为刀口厚度，a0为平均裂纹长度，F和VP为P-V曲线上的起裂载荷和对应起裂载荷时裂纹嘴的塑性张开位移，E为弹性模量，μ为泊松比。将以上数据带入公式即可求得试样的CTOD起裂韧性。在本试验中，物理常数E＝102GPa，μ＝0.3，母材屈服强度σYS1＝720MPa，试件厚度B＝12mm，试件宽度W＝24，跨距S＝96mm，刀口厚度z＝2mm。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，其特征在于，按照下列步骤进行：
步骤一、将待测样品切割成三点弯试样，在高频疲劳机上预制出疲劳裂纹；
步骤二、将声发射仪器的传感器同试样间用真空机进行耦合，同时用胶带和皮筋将其固定于三点弯试样的一侧；设定声发射仪器中声发射检测系统参数；
步骤三、在裂纹嘴两端2mm处及试样两端分别与导线相连，裂纹嘴两端导线与电压记录装置相连，实时记录电压示数，试样两端导线与恒流源相连；
步骤四，将引伸计卡在三点弯试样刀口上，用来测量试验过程中裂纹嘴张开位移，对三点弯试样施加载荷，试验的同时对声发射信号进行采集，主要包括计数累计，能量累计，幅值三个特征参数，对直流电位电压变化进行记录；
步骤五，分析声发射信号，找出第一个高幅值出现及计数累计和能量累计斜率突然升高的时刻，初步判定此时刻即为X100管线钢裂纹起裂时刻；
步骤六，将声发射信号同直流电位电压数值及电压的一阶导数数值相结合，分析声发射方法初步确定的裂纹起裂时刻，电压及其导数的变化，验证声发射结果的准确性；
步骤七，利用PV曲线得到开裂时刻的裂纹嘴张开位移和开裂载荷。
2.根据权利要求1所述的一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，其特征在于：在步骤一中，所述的待测样品为X100管线钢。
3.根据权利要求1所述的一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，其特征在于：在步骤一中，所述的疲劳裂纹的宽度为1-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，其特征在于：在步骤二中，所述的声发射检测系统参数为：采样率1MSPS，采样长度1K，前置放大器放大倍数40dB，幅值门槛值40dB。
5.根据权利要求1所述的一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，其特征在于：在步骤三中，所述的恒流源的恒电流大小为15A。
6.根据权利要求1所述的一种基于直流电位技术同声发射技术相结合的断裂试验起裂载荷确定方法，其特征在于：在步骤四中，所述施加载荷的试验速度为1mm/min。
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