CN108088746A - 一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，该方法包括测试系统的设计、需要提取的信号特征的说明、拉伸‑扭转作用下不同材料试件破坏应力及其破坏面方向的计算推导过程、材料破坏类型及破坏应力的确定方法。由拉扭电子试验机系统加载并采集试件的轴力、扭矩、轴向变形、扭转角等力学信号；通过声发射仪及声学传感器采集声发射信号；基于材料力学理论推导拉扭组合破坏应力及其方向的计算公式；利用采集的信号及特征判别破坏类型、计算试件的破坏应力及破坏面方向。本发明利用该系统可以得到并比较不同金属材料在不同加载速率下的拉‑扭组合破坏力学及声发射特征、破坏类型、破坏应力及破坏面。

Description

一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法
技术领域
本发明涉及一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，属于材料力学性能试验领域。
背景技术
屈服和断裂是工程材料破坏的两种基本形式。金属是常见的工程材料，金属构件在工程实际应用中往往承受拉伸压缩、剪切挤压、扭转、弯曲等基本变形及各种组合变形的作用，且不同的组合变形作用下构件的破坏形式互不相同。拉伸-扭转组合变形在工程中很常见，但是在不同的拉伸及扭转载荷比例以及不同的加载速度下构件内部储存的弹性变形能是各不相同的，因而构件在加载直至破坏的过程中所产生的变形能、声发射现象、破坏时的应力及破坏面位置都各不相同，尤其是拉伸-扭转组合作用下，拉力及扭矩的载荷比例、拉伸扭转加载速率对力学特征及声发射特征规律的影响以及对破坏应力、破坏面的影响，目前尚未见到详细报道。因此，有必要设计金属拉伸-扭转组合变形的力学及声发射特征测试与分析系统，用于研究金属拉伸-扭转组合破坏的宏观与微观机理，进一步探索拉伸-扭转加载速率、加载比例、加载路径等因素对试件破坏应力、声发射能量等物理量的影响，比较不同材料在拉扭加载下的破坏形式、破坏应力、破坏面及声发射特性，从而为不同材料的拉扭强度及刚度设计提供理论及试验依据。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，通过该方法可获得加载破坏过程中的破坏应力及破坏面方向，以及材料的抗压及剪切弹性模量，并比较不同材料随加载速率变化的破坏应力及破坏面及声发射特征、强度特征。
为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，该方法包括以下步骤：
第一步、设计并组建试验系统，所述试验系统包括电子拉扭试验机，用于根据试验需要选择载荷或位移控制方式对试件进行拉伸-扭转载荷加载试验，并采集力学特征信号；声发射系统，用于采集金属标准试件变形破坏过程中的声发射信号，对声发射事件自动计数、储存，并实时监测试验过程中的声发射现象；计算机分析系统，用于采集信号，计算并提取信号特征值，根据信号特征值绘制特征曲线，并进行后续不同加载速率下的破坏类型、破坏应力、破坏面的分析计算；
第二步、准备试件，选取一种材料的拉扭试件，试验前在试件标距的两端及传感器放置位置做标记，待试验结束后再次测量标距用以计算试件伸长量，将试件伸长量标记为Δl，则Δl＝l-l0，其中l为加载试验后试件的标距，l0为加载试验前试件的初始标距；
第三步、构建不同拉伸加载速率和扭转加载速率下金属拉伸-扭转组合变形试验，按给定的拉伸加载速率和扭转加载速率完成金属拉伸-扭转组合变形试验并记录试验结果，同时在给定拉伸加载速率和扭转加载速率下采集试验过程中的力学信号和声发射信号，力学信号包括试验过程中各时刻的轴向力、轴向变形、扭矩、扭转角信号，声发射信号包括振铃计数、幅值、能量、撞击数信号；
第四步、试件断裂后的处理，金属拉伸-扭转组合变形试验过程中，电子拉扭试验机对试件进行拉伸和扭转加载直至试件断裂，试件发生断裂后，将断裂的试件取出，观察试件的断裂面是否沿着其横截面发生断裂，并将断裂的试件进行拼接以测量断裂试件的标距，观察断裂面的轴向位置并与后面的声发射定位图比较；
第五步、基于采集的试验数据提取所需的特征值，并利用采集的试验数据及提取的特征值获取试件的破坏类型，再计算试件的破坏应力以及破坏面方向。
本发明的方法包括测试系统设计，需要提取的信号特征，拉伸-扭转作用下不同材料试件破坏应力及其破坏面方向的计算方法，材料实际破坏类型的确定方法等。本发明的系统包括电子拉扭试验机及采集系统，声发射系统和计算机分析系统，电子拉扭试验机可以按照位移或载荷控制方式同时向试件加载轴向拉力和扭矩，同时电子拉扭试验机采集试件的轴向力、扭矩、轴向变形、扭转角等力学信号，声发射系统采集振铃计数、幅值、能量、撞击数等声发射信号，基于材料力学理论推导拉扭组合破坏应力及其方向的计算公式，然后计算机分析系统利用采集的数据及特征值判别破坏类型、计算试件的破坏应力和破坏面方位，最终得到不同金属材料、不同加载速率及加载路径下的拉扭组合破坏力学及声发射特征、材料弹性模量、破坏类型、破坏应力及破坏面。总之，本发明的方法包括测试系统的设计、需要提取的信号特征的说明、拉伸-扭转作用下不同材料试件破坏应力及其破坏面方向的计算推导过程、材料破坏类型及破坏应力的确定方法。具体包括由拉扭电子试验机系统加载并采集试件的轴力、扭矩、轴向变形、扭转角等力学信号；通过声发射仪及声学传感器采集声发射信号；基于材料力学理论推导拉扭组合破坏应力及其方向的计算公式；利用采集的信号及特征判别破坏类型、计算试件的破坏应力及破坏面方向。本发明利用该系统可以得到并比较不同金属材料在不同加载速率下的拉-扭组合破坏力学及声发射特征、破坏类型、破坏应力及破坏面。
第四步中，随着加载速率的不同,不同材料的断裂面是不同的，对断裂破坏后的试件进行拼接测量是指对试验后试件的标距测量，标距即l。
进一步的，所述声发射系统包括声发射传感器、声发射仪及计算机，所述声发射传感器为压电陶瓷声发射传感器，所述声发射传感器的数目为两个，一个声发射传感器安装在距离试件上夹头底端20mm处，另一个声发射传感器安装距离试件下夹头底端20mm处，，所述声发射传感器的定位方式为线定位。
进一步的，所述试件为与电子拉扭试验机的拉扭加载专用夹头配套的标准试件。
进一步的，第五步中，信号特征的提取方法如下：
(一)计算机分析系统从电子拉扭试验机采集的力学信号数据以及卸载后的变形数据中提取基本力学特征参数，基本力学特征参数包括最大轴向力、最大扭矩、以及反应试件轴向拉伸变形的轴向伸长量和反应试件扭转变形的扭转角，将最大轴向力标记为Fm，最大扭矩标记为Tm，轴向伸长量标记为Δl，扭转角标记为θ；
(二)计算机分析系统从声发射系统采集的声发射信号数据中提取基本声发射特征参数，基本声发射特征参数包括平均振铃计数、平均能量、平均撞击数、最大振铃计数、最大能量和最大撞击数，将平均振铃计数标记为na，平均能量标记为ea，平均撞击数标记为ha，最大振铃计数标记为nm，最大能量标记为em，最大撞击数标记为hm；
(三)将试件横截面上某一点的轴向拉伸正应力记为σx，计算机分析系统根据(1)式计算试件横截面上某一点的轴向拉伸正应力，
其中，F为试验过程中各时刻的轴向力，由电子拉扭试验机采集获得，A0为加载试验前试件标距内的原始横截面面积；
(四)将试件的轴向拉伸正应变记为ε，计算机分析系统根据(2)式计算试件的轴向拉伸正应变，
其中，Δl为轴向伸长量，l0为加载试验前试件的初始标距；
(五)将试件表面上的某一点在弹性阶段的扭转切应力记为τ，计算机分析系统根据(3)式计算试验过程中试件表面上的某一点在弹性阶段的扭转切应力，
其中，T为试验过程中各时刻的扭矩，由电子拉扭试验机采集获得，WT为抗扭截面模量，d0为加载试验前试件标距内的初始直径；
(六)将试件在加载试验过程中所产生的剪应变记为γ，计算机分析系统根据(4)计算剪应变，
其中，R为试件半径，l0为加载试验前试件的初始标距，θ为扭转角。
更进一步的，步骤(三)中，在同一加载速率条件下，当轴向力为最大轴向力Fm时，根据(1-1)式计算对应的最大轴向拉伸正应力，
其中，σm为最大轴向拉伸正应力。
更进一步的，步骤(五)中，将试件破坏时试件表面上某一点的扭转切应力记为τm，当试件为脆性金属材料(例如铸铁)时，根据(3-1)式计算τm值，
当试件为塑性金属材料(例如低碳钢、铝合金)时，根据(3-2)式计算τm值，
其中，Tm为试验过程中的最大扭矩。
进一步的，第五步中，获取试件破坏类型的具体方法如下：
①基于采集的试验数据，绘制轴向力-轴向变形曲线、扭矩-扭转角曲线、声发射信号的时间曲线；
②基于采集的轴向载荷和轴向拉伸变形量，绘制轴向力-轴向伸长量曲线，由该曲线过原点的直线或割线得到试件的拉压弹性模量，所述试件拉压弹性模量根据(5)式计算得到，
其中，E为试件的拉压弹性模量，F为试验过程中各时刻的轴向力，l0为加载试验前试件的初始标距，A0为加载试验前试件标距内的原始横截面面积，Δl为轴向伸长量；
③基于采集的扭矩和扭转角，绘制扭矩-扭转角曲线，由该曲线过原点的直线或割线斜率得到试件的剪切弹性模量，所述试件剪切弹性模量根据(6)式计算得到，
其中，G为试件的剪切弹性模量，T为试验过程中各时刻的扭矩，l0为加载试验前试件的初始标距，θ为扭转角，d0为加载试验前试件标距内的初始直径；
④根据轴向力-轴向变形曲线及声发射信号的时间曲线联合确定试件的破坏类型，试件的破坏类型包括脆性破坏和塑性破坏两种类型，当试件为脆性材料时其破坏类型为脆性破坏，通过最大拉应力确定试件的破坏强度；当试件为塑性材料时其破坏类型为塑性破坏，通过最大剪应力确定试件的破坏强度。
更进一步的，在步骤②中，试件的拉压弹性模量也可根据σx-ε曲线确定，σx-ε曲线根据轴向拉伸正应力和轴向拉伸正应变绘制而成。
更进一步的，在步骤④中，脆性破坏的轴向力-轴向变形曲线是一微弯的上升曲线，缺少明显的屈服阶段及颈缩下降阶段，延伸率低，声发射信号的时间曲线声发射次数少、幅度大，发生部位局限于某一区域；塑性破坏的轴向力-轴向变形曲线依次包括近似直线阶段、屈服阶段、上升阶段和颈缩下降阶段，延伸率高，声发射信号的时间曲线是一连续型波形曲线，声发射次数多。
由上可知，从试验加载到破坏过程的轴向力-轴向变形曲线是一微弯的上升曲线，没有明显的屈服阶段(波浪线)及颈缩下降阶段，延伸率低，其声发射信号的时间曲线声发射次数少、幅度大，发生部位局限于某个区域，则为脆性破坏，需按最大拉应力确定试件的破坏强度。从试验加载到破坏过程的轴向力-轴向变形曲线开始有近似的直线阶段，然后有一定的屈服(波浪线)阶段、上升阶段和颈缩下降阶段，延伸率较高；其声发射信号的时间曲线是一种声发射次数很多的连续型波形曲线，则为塑性破坏，需按最大剪应力确定试件的破坏强度。
进一步的，第五步中，在拉伸-扭转联合作用下理论破坏应力及理论破坏面方位的获取方法如下：
⑴当试件为脆性材料时，按最大拉应力理论结合平面应力状态理论及组合变形理论计算试件断裂时的应力，将试件断裂时的破坏应力(即主应力)记为σ1，计算机分析系统根据(7)式计算试件断裂时的破坏应力，
将破坏面与试件横截面之间的夹角即试件断裂时的破坏面方向记为α0，计算机分析系统根据(8)式计算试件断裂时的破坏面方向
其中，σm为最大轴向拉伸正应力，τm为试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力；
⑵当试件为塑性材料时，按最大剪应力理论结合平面应力状态理论及组合变形理论计算试件断裂时的应力，将试件断裂时的破坏应力记为τmax，计算机分析系统根据(9)式计算试件断裂时的破坏应力，
将破坏面与试件横截面之间的夹角即试件断裂时的破坏面方向记为α1，计算机分析系统根据(10)式计算试件断裂时的破坏面方向
其中，σm为最大轴向拉伸正应力，τm为试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力。
本发明的优点是通过试验系统进行试验和分析，得到不同金属材料(包括合金)的试件在不同拉扭加载速率下的轴向力、轴向拉伸变形、扭矩、扭转角、声发射能量和振铃计数等特征的时间历程曲线，以及轴向力-轴向拉伸变形曲线，正应力-正应变曲线，剪应力-剪应变曲线，通过曲线获得试件的两种弹性模量，进而判别试件破坏类型，基于试验所得的最大轴力及最大扭矩计算试件的破坏应力及破坏方向，还可以得到不同加载速率下的声发射事件数，不仅为研究拉扭作用下破坏的声发射提供统计数据，还可以比较不同材料在其他加载速率下的破坏类型、破坏应力及破坏面方向。总之，本发明提供了一套完整的金属试件在拉扭联合作用下加载破坏过程中的力学及声发射特征测试与分析方法，通过该方法可获得破坏的应力与破坏面方向，同时得到材料的抗压及剪切弹性模量，为金属材料在实际生产中的应用提供了理论基础。另外，本发明还提供一种试验系统，该系统易于组件，简单适用，操作方便，采用通用传感器，价格实惠，大大减少了试验成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为本发明中试验系统的结构框图。
图2为本发明中金属标准试件的结构示意图。
图3为本发明中铸铁试件的轴向力-轴向伸长量曲线图。
图4为本发明中碳钢试件的轴向力-轴向伸长量曲线图。
图5为本发明中铝合金试件的轴向力-轴向伸长量曲线图。
图6为本发明中铸铁试件的扭矩-扭转角曲线图。
图7为本发明中碳钢试件的扭矩-扭转角曲线图。
图8为本发明中铝合金试件的扭矩-扭转角曲线图。
图9为本发明中Z1铸铁试件的振铃计数-时间历程曲线图。
图10为本发明中T4碳钢试件的振铃计数-时间历程曲线图。
图11为本发明中L3铝合金试件的振铃计数-时间历程曲线图。
图12为本发明中四种加载速率下的铸铁主应力变化曲线图。
图13为本发明中四种加载速率下的碳钢破坏剪应力变化曲线图。
图14为本发明中四种加载速率下的铝合金破坏剪应力变化曲线图。
图15为本发明中四种加载速率下的铸铁破坏面方向变化曲线图。
图16为本发明中四种加载速率下的碳钢破坏面方向变化曲线图。
图17为本发明中四种加载速率下的铝合金破坏面方向变化曲线图。
图18为本发明中Z1铸铁声发射定位模型图。
图19为本发明中Z1铸铁声发射定位点图。
图20位本发明中Z1铸铁试件断裂拼接图。
图21为本发明中试件拉扭示意图。
图22为单元体应力分析图。
图23为本发明中碳钢与铝合金的拉扭破坏应力的对比曲线。
图24为本发明中碳钢与铝合金的拉扭破坏面角度的对比曲线。
具体实施方式
本发明提供一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，该方法包括以下步骤：
第一步、设计并组建试验系统，如图1所示试验系统包括电子拉扭试验机，用于根据试验需要选择载荷或位移控制方式对附图2中的金属标准试件进行拉伸-扭转载荷加载试验，并采集力学特征信号；声发射系统，用于采集金属标准试件变形破坏过程中的声发射信号，对声发射事件自动计数、储存，并实时监测试验过程中的声发射现象；计算机分析系统，用于采集信号，计算并提取信号特征值，根据信号特征值绘制特征曲线，并进行后续不同加载速率下的破坏类型、破坏应力、破坏面的分析计算。其中，声发射系统包括声发射传感器、声发射仪及计算机，声发射传感器为压电陶瓷声发射传感器，声发射传感器的数目为两个，一个声发射传感器安装在距离试件上夹头底端20mm处，另一个声发射传感器安装距离试件下夹头底端20mm处，声发射传感器的定位方式为线定位。
第二步、准备试件，选取一种材料的拉扭试件，试验前采用记号笔在试件标距的两端及传感器放置位置做标记，待试验结束后再次测量标距用以计算试件伸长量。试件为与电子拉扭试验机的拉扭加载专用夹头配套的标准试件。连接仪器，将声发射传感器安装在转换器上，然后将装有声发射传感器的转换器的端头采用502胶水粘至试件标距的接触点处，将声发射传感器与前置放大器、声发射仪依次连接在一起，将声发射传感器、声发射仪与计算机连接，在计算机的显示界面设置声发射试验信号采集窗口，并对已固定在试件上的两个声发射传感器进行3次断铅试验，断铅作用一是为了确定材料的声速，二是验证传感器定位的准确性，如若出现定位不准确的情况则可对其进行参数调整直至定位准确，以确保试验结果的准确可靠性。安装试件，确认电子拉扭试验机的夹头为拉伸扭转试验专用夹头后，根据试件的长度尺寸将上下夹头的距离调整到合适的高度，将试件放入夹头内，接着将上下夹头的固定螺丝拧紧，完成试件的安装。
第三步、构建不同拉伸加载速率和扭转加载速率下金属拉伸-扭转组合变形试验，按给定的拉伸加载速率和扭转加载速率完成金属拉伸-扭转组合变形试验并记录试验结果，同时在给定拉伸加载速率和扭转加载速率下采集试验过程中的力学信号和声发射信号，力学信号包括试验过程中各时刻的轴向力、轴向变形、扭矩、扭转角信号，声发射信号包括振铃计数、幅值、能量、撞击数信号。试验前准备，点击电子拉扭试验机软件进入操作界面，完成相应的试验类型和参数设定，接着点击“启动”完成设置，电子拉扭试验机便进入校零阶段，然后再次打开声发射系统中的计算机软件进行声发射仪器(声发射传感器和声发射仪)的设置，打开声发射仪器使其运行几秒后再打开计算机桌面上的软件图标进入系统软件的操作界面，建立试验信号采集窗口。设置完成后，点击“采集”后等电子拉扭试验机校零结束。试验机完成校零后按照试验方案设置拉伸和扭转的加载速率，自此便可运用电子拉扭试验机和声发射系统实现同步采集试件拉扭破坏过程中力学信号和声发射信号。电子拉扭试验机采集各时刻的轴向力、轴向变形、扭矩、扭转角，声发射系统采集振铃计数、幅值、能量、撞击数等。
第四步、试件断裂后的处理，金属拉伸-扭转组合变形试验过程中，电子拉扭试验机运行程序对试件进行拉伸和扭转加载直至试件断裂，试件发生断裂后，将断裂的试件分别从上下夹头中取出，观察试件的断裂面是否沿着其横截面发生断裂，并将断裂的试件进行拼接以测量断裂试件的标距尺寸，观察断裂面的轴向位置并与后面的声发射定位图比较。
第五步、基于采集的试验数据提取所需的特征值，并利用采集的试验数据及提取的特征值获取试件的破坏类型，再计算试件的破坏应力以及破坏面方向。
第五步中，信号特征的提取方法如下：
(一)计算机分析系统从电子拉扭试验机采集的载荷、变形数据中提取最大轴力Fm、最大扭矩Tm，从卸载后的变形数据中提取轴向伸长Δl、扭转角θ；(二)计算机分析系统从声发射系统采集的声发射信号数据中提取基本声发射特征参数，基本声发射特征参数包括平均振铃计数na、平均能量ea、平均撞击数ha、最大振铃计数nm、最大能量em和最大撞击数hm；(三)将试件横截面上某一点的轴向拉伸正应力记为σx，计算机分析系统根据(1)式(即)计算试件横截面上某一点的轴向拉伸正应力，其中F为试验过程中各时刻的轴向力，由电子拉扭试验机采集获得，A0为加载试验前试件标距内的原始横截面面积；当轴向力为最大轴向力Fm时，根据(1-1)式(即)计算对应的最大轴向拉伸正应力，其中σm为最大轴向拉伸正应力；(四)将试件的轴向拉伸正应变记为ε，计算机分析系统根据(2)式(即)计算试件的轴向拉伸正应变，其中，Δl为轴向伸长量，l0为加载试验前试件的初始标距；(五)将试件表面上的某一点在弹性阶段的扭转切应力记为τ，计算机分析系统根据(3)式(即)计算试验过程中试件表面上的某一点在弹性阶段的扭转切应力，其中T为试验过程中各时刻的扭矩，由电子拉扭试验机采集获得，WT为抗扭截面模量，d0为加载试验前试件标距内的初始直径；将试件破坏时试件表面上某一点的扭转切应力记为τm，当试件为脆性金属材料(例如铸铁)时根据(3-1)式(即)计算τm值，当试件为塑性金属材料(例如低碳钢)时根据(3-2)式(即)计算τm值，其中Tm为试验过程中的最大扭矩；(六)将试件在加载试验过程中所产生的剪应变记为γ，计算机分析系统根据(4)(即)计算剪应变，其中，R为试件半径，l0为加载试验前试件的初始标距，θ为扭转角。
获取试件破坏类型的具体方法如下：①基于采集的试验数据，绘制轴向力-轴向变形曲线、扭矩-扭转角曲线、声发射信号的时间曲线；②基于采集的轴向载荷和轴向拉伸变形量绘制轴向力-轴向伸长量曲线，由该曲线过原点的直线或割线得到试件的拉压弹性模量，所述试件拉压弹性模量根据(5)式(即)计算得到，其中E为试件的拉压弹性模量，F为试验过程中各时刻的轴向力，l0为加载试验前试件的初始标距，A0为加载试验前试件标距内的原始横截面面积，Δl为轴向伸长量；另外试件的拉压弹性模量也可根据σx-e曲线确定，σx-ε曲线根据轴向拉伸正应力和轴向拉伸正应变绘制而成；③基于采集的扭矩和扭转角，绘制扭矩-扭转角曲线，由该曲线过原点的直线或割线斜率得到试件的剪切弹性模量，所述试件剪切弹性模量根据(6)式(即)计算得到，其中G为试件的剪切弹性模量，T为试验过程中各时刻的扭矩，l0为加载试验前试件的初始标距，θ为扭转角，d0为加载试验前试件标距内的初始直径；④根据轴向力-轴向变形曲线及声发射信号的时间曲线联合确定试件的破坏类型，试件的破坏类型包括脆性破坏和塑性破坏两种类型，当试件为脆性材料时其破坏类型为脆性破坏，通过最大拉应力确定试件的破坏强度；当试件为塑性材料时其破坏类型为塑性破坏，通过最大剪应力确定试件的破坏强度。脆性破坏的轴向力-轴向变形曲线是一微弯的上升曲线，缺少明显的屈服阶段及颈缩下降阶段，延伸率低，声发射信号的时间曲线声发射次数少、幅度大，发生部位局限于某一区域；塑性破坏的轴向力-轴向变形曲线依次包括近似直线阶段、屈服阶段、上升阶段和颈缩下降阶段，延伸率高，声发射信号的时间曲线是一连续型波形曲线，声发射次数多。
在拉扭组合时，如图21所示，试件在拉力F及力偶M作用下产生拉扭组合变形，应力最大的点在试件表面。图20中试件表面A点的单元体应力分布如图22所示，在拉力F作用下，σy＝0，试件横截面上的正应力σx符合公式(11)：其中A为试件在加载前标距内的初始横截面面积，不是变形中或者变形后的面积；在力偶矩M的作用下，扭矩T＝M，试件横截面上A点的剪应力τxy符合公式(12)：其中T的大小等于力偶矩M的大小，Wt为抗扭截面模量(单位m3)，抗扭截面模量Wt符合公式(13)：其中d为试件横截面直径。根据材料力学中平面应力状态理论得到经过A点的各斜截面上的最大正(拉)应力σ1及最大剪应力τmax，最大正(拉)应力即主应力符合公式(14)：正应力方向即主方向α0符合公式(15)：最大剪(切)应力符合公式(16)：最大剪应力所在面(破坏面)与试件横截面之间的夹角α1符合公式(17)：
当试件破坏类型为脆性破坏时，按最大拉应力理论结合平面应力状态理论及组合变形理论确定强度条件，根据(14)、(15)式可得到其破坏应力σ1及应力主方向α0，破坏应力σ1符合公式(7)：应力主方向符合公式(8)：其中
当试件破坏类型为塑性破坏时，按最大剪应力理论结合平面应力状态理论及组合变形理论确定强度条件，根据(16)、(17)式可得到其破坏应力τmax和破坏面方向α1，破坏应力τmax满足公式(9)：破坏面方向α1满足公式(10)：其中σm为最大轴向拉伸正应力，τm为试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力。
根据上述方法确定试件破坏类型后，将破坏时试验的拉力(轴向力)或扭矩代入(8)或(10)式，计算得到破坏面方向。
另外，可通过比较声发射定位点数据图和真实破坏拼接试件断裂位置，用以验证声发射定位的准确性。还可改变材料及轴向力及扭矩的加载速率，得到不同材料在不同加载速率下的破坏类型、破坏应力及破坏面，并对不同材料的拉扭破坏力学与声发射特性进行比较。
实施例1
本实施例的一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，具体步骤如下：
选择铸铁、碳钢、铝合金三种金属材料的拉扭试件，按照表1的试验方案进行拉伸-扭转声发射试验，每种金属材料进行4次不同拉扭加载速率试验，一共进行12次拉扭加载试验。将铸铁试件编号为Z1—Z4，碳钢试件编号为T1—T4，铝合金试件编号为L1—L4。
具体的加载速率和加载路径方案分别见表1、表2。
表1铸铁、碳钢和铝合金拉伸扭转的加载速率方案
根据表1中的试验方案，对铸铁、碳钢和铝合金3种金属材料分别进行4种不同拉扭加载速率的声发射试验，然后基于试验数据绘制轴向力-轴向伸长量曲线、声发射振铃计数-时间历程曲线(见图3至图11)。由图3至图5可以判断铸铁的拉扭破坏类型为脆性破坏，低碳钢和铝合金的拉扭破坏类型均为塑性破坏，且低碳钢的塑性性能优于铝合金。
然后，从采集的试验数据中提取三种金属材料的力学特征值，分别记最大载荷为Fm、最大扭矩为Tm、最大正应力为σm、最大切应力为τm、扭转角为θ、延伸率为φ，具体数据如表2所示。
表2金属试件拉伸扭转力学特征参数
从采集的试验数据中提取基本声发射特征参数，不同拉扭加载速率下的金属声发射参数平均值和最大值的对比如表3所示，表3中分别有平均振铃计数na、平均能量ea、平均撞击数ha、最大振铃计数nm、最大能量em和最大撞击数hm等6个参数值。
表3金属试件声发射数据
计算拉扭试件的破坏应力及破坏方向，其中铸铁材料的扭转破坏应力及破坏面方向值如表4所示，分别将破坏应力及破坏面方向记为σ1和α0。
表4铸铁破坏应力与破坏方向值
碳钢和铝合金材料的扭转破坏应力及破坏面方向值如表5所示，分别将破坏应力及破坏面方向记为τmax和α1。
表5碳钢和铝合金破坏剪应力与破坏方向值
另外，基于采集的试验数据绘制4种不同轴向加载速率下的破坏应力曲线(如图12-14所示),4种不同轴向加载速率下的破坏面方向曲线(如图15-17所示)。以铸铁Z1为例，将其声发射定位点图与真实断裂破坏拼接对比，如图18-20所示，试件破裂位置也为定位点图中定位次数的零点位置，表明声发射定位较为准确。还可以绘制不同材料的破坏应力或破坏面方向随加载速率的对比曲线，并比较加载速率对不同材料拉扭性能的影响。根据表5，绘制了碳钢和铝合金的破坏应力对比曲线如图23所示，破坏面角度的对比曲线如图24所示。可知，相同的加载速率下碳钢的拉扭强度明显高于铝合金，但碳钢的破坏面与横截面的夹角要比铝合金要小。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、设计并组建试验系统，所述试验系统包括电子拉扭试验机，用于根据试验需要选择载荷或位移控制方式对试件进行拉伸-扭转载荷加载试验，并采集力学特征信号；声发射系统，用于采集试件变形破坏过程中的声发射信号，对声发射事件自动计数、储存，并实时监测试验过程中的声发射现象；计算机分析系统，用于采集信号，计算并提取信号特征值，根据信号特征值绘制特征曲线，并进行后续不同加载速率下的破坏类型、破坏应力、破坏面的分析计算；
第二步、准备试件，选取一种材料的拉扭试件，试验前在试件标距的两端及传感器放置位置做标记，待试验结束后再次测量标距用以计算试件伸长量；
第三步、构建不同拉伸加载速率和扭转加载速率下金属拉伸-扭转组合变形试验，按给定的拉伸加载速率和扭转加载速率完成金属拉伸-扭转组合变形试验并记录试验结果，同时在给定拉伸加载速率和扭转加载速率下采集试验过程中的力学信号和声发射信号，力学信号包括试验过程中各时刻的轴向力、轴向变形、扭矩、扭转角信号，声发射信号包括振铃计数、幅值、能量、撞击数信号；
第四步、试件断裂后的处理，金属拉伸-扭转组合变形试验过程中，电子拉扭试验机对试件进行拉伸和扭转加载直至试件断裂，试件发生断裂后，将断裂的试件取出，观察试件的断裂面是否沿着其横截面发生断裂，并将断裂的试件进行拼接以测量断裂试件标距、观察断裂面的轴向位置并与后面的声发射定位图比较；
第五步、基于采集的试验数据提取所需的特征值，并利用采集的试验数据及提取的特征值获取试件的破坏类型，再计算试件的破坏应力以及破坏面方向。
2.根据权利要求1所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，所述声发射系统包括声发射传感器、声发射仪及计算机，所述声发射传感器为压电陶瓷声发射传感器，所述声发射传感器的数目为两个，一个声发射传感器安装在距离试件上夹头底端20mm处，另一个声发射传感器安装距离试件下夹头底端20mm处，所述声发射传感器的定位方式为线定位。
3.根据权利要求1所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，所述试件为与电子拉扭试验机的拉扭加载专用夹头配套的标准试件。
4.根据权利要求1所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，第五步中，信号特征的提取方法如下：
(一)计算机分析系统从电子拉扭试验机采集的力学信号数据以及卸载后的变形数据中提取基本力学特征参数，基本力学特征参数包括最大轴向力、最大扭矩、以及反应试件轴向拉伸变形的轴向伸长量和反应试件扭转变形的扭转角，将最大轴向力标记为Fm，最大扭矩标记为Tm，轴向伸长量标记为Δl，扭转角标记为θ；
(二)计算机分析系统从声发射系统采集的声发射信号数据中提取基本声发射特征参数，基本声发射特征参数包括平均振铃计数、平均能量、平均撞击数、最大振铃计数、最大能量和最大撞击数，将平均振铃计数标记为na，平均能量标记为ea，平均撞击数标记为ha，最大振铃计数标记为nm，最大能量标记为em，最大撞击数标记为hm；
(三)将试件横截面上某一点的轴向拉伸正应力记为σx，计算机分析系统根据(1)式计算试件横截面上某一点的轴向拉伸正应力，
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>F</mi> <msub> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，F为试验过程中各时刻的轴向力，A0为加载试验前试件标距内的原始横截面面积；
(四)将试件的轴向拉伸正应变记为ε，计算机分析系统根据(2)式计算试件的轴向拉伸正应变，
<mrow> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>l</mi> </mrow> <msub> <mi>l</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Δl为轴向伸长量，l0为加载试验前试件的初始标距；
(五)将试件表面上的某一点在弹性阶段的扭转切应力记为τ，计算机分析系统根据(3)式计算试验过程中试件表面上的某一点在弹性阶段的扭转切应力，
<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <msub> <mi>W</mi> <mi>T</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <mrow> <msup> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>3</mn> </msup> <mo>/</mo> <mn>16</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，T为试验过程中各时刻的扭矩，WT为抗扭截面模量，d0为加载试验前试件标距内的初始直径；
(六)将试件在加载试验过程中所产生的剪应变记为γ，计算机分析系统根据(4)计算剪应变，
<mrow> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>R</mi> <msub> <mi>l</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，R为试件半径，l0为加载试验前试件的初始标距，θ为扭转角。
5.根据权利要求4所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，步骤(三)中，当轴向力为最大轴向力Fm时，根据(1-1)式计算对应的最大轴向拉伸正应力，
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，σm为最大轴向拉伸正应力。
6.根据权利要求4所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，步骤(五)中，将试件破坏时试件表面上某一点的扭转切应力记为τm，当试件为脆性金属材料时，根据(3-1)式计算τm值，
<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mi>T</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <msup> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>3</mn> </msup> <mo>/</mo> <mn>16</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
当试件为塑性金属材料时，根据(3-2)式计算τm值，
<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>4</mn> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mi>T</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>4</mn> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <msup> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>3</mn> </msup> <mo>/</mo> <mn>16</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Tm为试验过程中的最大扭矩。
7.根据权利要求1所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，第五步中，获取试件破坏类型的具体方法如下：
①基于采集的试验数据，绘制轴向力-轴向变形曲线、扭矩-扭转角曲线、声发射信号的时间曲线；
②基于采集的轴向载荷和轴向拉伸变形量，绘制轴向力-轴向伸长量曲线，由该曲线过原点的直线或割线得到试件的拉压弹性模量，所述试件拉压弹性模量根据(5)式计算得到，
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>F</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>l</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，E为试件的拉压弹性模量，F为试验过程中各时刻的轴向力，l0为加载试验前试件的初始标距，A0为加载试验前试件标距内的原始横截面面积，Δl为轴向伸长量；
③基于采集的扭矩和扭转角，绘制扭矩-扭转角曲线，由该曲线过原点的直线或割线斜率得到试件的剪切弹性模量，所述试件剪切弹性模量根据(6)式计算得到，
<mrow> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>T</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>l</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，G为试件的剪切弹性模量，T为试验过程中各时刻的扭矩，l0为加载试验前试件的初始标距，θ为扭转角，d0为加载试验前试件标距内的初始直径；
④根据轴向力-轴向变形曲线及声发射信号的时间曲线联合确定试件的破坏类型，试件的破坏类型包括脆性破坏和塑性破坏两种类型，当试件为脆性材料时其破坏类型为脆性破坏，通过最大拉应力确定试件的破坏强度；当试件为塑性材料时其破坏类型为塑性破坏，通过最大剪应力确定试件的破坏强度。
8.根据权利要求7所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，在步骤②中，试件的拉压弹性模量也可根据σx-ε曲线确定，σx-ε曲线根据轴向拉伸正应力和轴向拉伸正应变绘制而成。
9.根据权利要求7所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，在步骤④中，脆性破坏的轴向力-轴向变形曲线是一微弯的上升曲线，缺少明显的屈服阶段及颈缩下降阶段，延伸率低，声发射信号的时间曲线声发射次数少、幅度大，发生部位局限于某一区域；塑性破坏的轴向力-轴向变形曲线依次包括近似直线阶段、屈服阶段、上升阶段和颈缩下降阶段，延伸率高，声发射信号的时间曲线是一连续型波形曲线，声发射次数多。
10.根据权利要求1所述一种金属拉扭组合变形力学及声发射特征测试与分析方法，其特征在于，第五步中，破坏应力及破坏面方向的计算方法如下：
⑴当试件为脆性材料时，将试件断裂时的破坏应力记为σ1，计算机分析系统根据(7)式计算试件断裂时的破坏应力，
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
将破坏面与试件横截面之间的夹角即试件断裂时的理论破坏面方向记为α0，计算机分析系统根据(8)式计算试件断裂时的破坏面方向，
<mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，σm为最大轴向拉伸正应力，τm为试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力；
⑵当试件为塑性材料时，将试件断裂时的破坏应力记为τmax，计算机分析系统根据(9)式计算试件断裂时的破坏应力，
<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
将破坏面与试件横截面之间的夹角即试件断裂时的理论破坏面方向记为α1，计算机分析系统根据(10)式计算试件断裂时的理论破坏面方向，
<mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，σm为最大轴向拉伸正应力，τm为试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力。
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