基於聲發射技術的金屬高頻疲勞監測
本文採用聲發射技術監測高頻疲勞條件下，金屬材料裂紋的擴展。詳細介紹了如何運用軟、硬體處理的方法，從採集到的信號中分離出裂紋擴展的聲發射信號。從處理後的聲發射信號與觀察得到的裂紋擴展對比來看，聲發射參數的變化能夠有效地反映材料疲勞裂紋擴展的過程，並且能更早地發現試樣內部微小裂紋的變化。通過試驗，得出了緊湊拉伸試樣在裂紋穩定擴展階段聲發射信號能量率與應力強度因子幅值之間的關係式。
關鍵詞：聲發射；高頻疲勞；裂紋擴展；信號分析
1引言
聲發射已成為材料科學與工程方面研究的一個熱點課題，取得了許多有意義的成果[1-4]，尤其是對那些經典疲勞研究方法難以解決的問題，例如對細微裂紋的活動研究，提供了一種新的研究手段。人們也嘗試過聲發射技術在材料疲勞監測方面的研究，找出了聲發射參數與材料的裂紋長度及應力強度因子之間的關係。但前人一般都是用液壓疲勞試驗機做低頻疲勞試驗[3-6]，這主要原因是聲發射檢測儀器非常靈敏，在材料的試驗過程中，易受到試驗機激振及夾具碰撞等因素的幹擾，難以區別真實的裂紋擴展信號和各種噪聲信號。本文嘗試運用聲發射信號處理技術進行金屬材料在電磁激振高頻疲勞下的裂紋擴展研究。
在材料的疲勞研究中，疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子的關係一般採用半經驗的Paris公式[7]：
(1)
式中C1和n是由材料決定的常數，為應力強度因子幅度（），a為裂紋長度，N為疲勞的循環次數。
在疲勞裂紋擴展的聲發射研究方面，前人研究了低頻循環下過閾值的聲發射振鈴計數與應力強度因子之間的關係[9-12]，並且建立了與公式（1）相類似的關係：
(2)
式中，H表示聲發射信號的總計數；C2和m是材料性質相關的常數。
從建立聲發射參數與應力強度因子幅度方程來看，使用聲發射信號的能量值更能反應在疲勞載荷作用下，裂紋擴展的狀況。所以可將式（2）改寫成下式：
(3)
式中，E表示聲發射信號的累計能量；C3和是與材料性質相關的常數。用能量來研究裂紋擴展的規律有兩個很大的優點：其一是受傳感器與試件之間的耦合狀況影響較小；其二是受設置的閾值影響較小。所以在本文研究中，採用聲發射信號的能量建立與裂紋擴展之間的關係，還可以通過聲發射檢測結果對構件的疲勞裂紋擴展速率和剩餘疲勞壽命進行預測[5,10]。
* 國家自然科學基金（項目編號：50005006）和北京市自然科學基金重點項目（項目編號：3011001）資助。
2試驗研究
2.1 試樣
試驗的緊湊拉伸試樣的材料選用16MnR鋼，該材料為低合金高強度容器專用鋼，材料的熱處理狀態為熱軋供貨狀態。三塊試樣相同。材料的化學成分和主要機械性能見下表：
表1材料的化學成分及機械性能(室溫)
Table 5-1. Material composition and mechanical properties at room temperature
緊湊拉伸試樣的尺寸和加工精度按照美國材料試驗協會標準ASTM E399-90的要求加工，如圖1所示。按標準的規定，試樣的厚度，本文試樣取W=50.8mm，B=20mm，並用線切割技術預製了一條長為2.5mm的人工裂紋。
2.2 試驗機
疲勞試驗機使用的是長春試驗機所製造的PLG-100C高頻拉壓疲勞試驗機，該機器的載荷與其試樣保護都採用微機控制。疲勞試驗中應力循環比R的值為0.1。試樣是通過銷軸、U形夾具、壓緊環和疲勞機相連接。
2.3 聲發射監測系統
試驗中安裝了四個聲發射傳感器，分別編號為S1、S2、S3和S4。S1和S2號傳感器安裝在試樣預製裂紋的兩側對稱的位置，如圖1所示。傳感器S3安裝於U形夾具上，S4安裝於試驗機的壓緊環上，如圖2所示。
S3和S4傳感器的裝設有兩個目的，第一，為濾波和辨識噪聲的需要，即起警戒傳感器的作用；第二，為實現間接測量的需要，即傳感器不直接耦合在被測的試樣上，實現間接測量。
聲發射信號經傳感器接收送至前置放大器，再進入主放大器進一步放大和信號調理，調理後的信號進入主處理機採集和分析。
聲發射監測系統的傳感器、放大器等硬體的選用以及軟體參數的設置都是根據試驗的實際狀況做出。傳感器S1和S2選用的是20k～1.0MHz的寬帶傳感器，分別為德國Vallen公司和日本Fuji公司生產。選用寬帶傳感器的目的，是為了獲得更豐富的聲發射信號，便於後面的聲發射信號分析和處理。傳感器S3和S4選用的廣州聲華公司生產的R15型高靈敏度諧振式傳感器，其頻率範圍是100kHz～400kHz。此處選用窄帶諧振式傳感器的目的是保證傳感器的高靈敏度，如果採用同類的寬帶傳感器監測的效果將差一些。四個前置放大器採用的帶寬跟傳感器的帶寬一致，前置放大器增益為34dB。撞擊定義時間設為500(s，採樣長度為4k。試驗前聲發射儀各通道的靈敏度都經過仔細校準，以保證儀器的正常可靠工作。聲發射儀選用的是廣州聲華公司的WAE2002型多通道全波形系統。
2.4 外觸發器
在加載循環過程中，在低應力時裂紋閉合，在高應力時裂紋張開並擴展。裂紋擴展釋放出應變能，也就出現聲發射信號。在裂紋閉合時，由於裂紋表面的摩擦而產生噪聲。要獲得裂紋擴展時的聲發射信號，必須要將裂紋閉合時的聲發射信號分離出去。為了儘可能使採集到的信號噪聲少一些，在本實驗中專門設計了一個外觸發器。外觸發器是將疲勞試驗機測力計輸出的電壓與參考電壓（閾值電壓）進行比較，若高於這個閾值電壓的信號將產生脈衝電平，使採集卡觸發並開始採集信號。閾值電壓選用的是85％的最大疲勞載荷時測力計的輸出電壓。這樣處理以後，在所採集到的信號中，裂紋擴展的聲發射信號比例大大提高，而且減少了採集數據的量。
圖2 疲勞試驗及聲發射監測系統的布置圖
2.5 試驗數據採集
疲勞試驗機開始加載後，先進行噪聲信號的測量，此時沒有裂紋擴展信號，所採集到的信號均為各種噪聲信號，以此時的信號為噪聲的樣本信號，找出噪聲信號的特徵，從所採集到的信號中剔除它們。
通過分析和前幾個類似試樣的經驗，聲發射儀正式開始採集是在疲勞試驗開始後1小時進行，其目的是為了減少數據量，因為在本文試驗條件下，前1小時不會出現疲勞破壞。在這段時間內先進行背景噪聲的測量，再根據檢測情況設置好儀器各種參數。兩臺計算機的系統時間在試驗前應仔細校對，以便兩者能在統一的時間下進行數據比較。以下所述及作圖用的時間都是從聲發射信號開始採集時算起。
3裂紋擴展信號的識別方法
在本文的試驗中，除了裂紋擴展的聲發射信號外，還有以下噪聲信號：第一種是內部電子器件，傳輸電纜等產生的電磁噪聲；第二種是外部的幹擾噪聲，這類噪聲較多，主要有：疲勞機電磁激振產生的振動噪聲，試樣與夾具連接的銷軸的摩擦噪聲，裂紋閉合時的摩擦噪聲。下面的部分將討論減少噪聲的措施和噪聲的分離與排除，最終得到裂紋擴展的聲發射信號結果。
3.1 硬體方法降噪
疲勞機的激勵共振頻率較低，所以外界機械振動產生的較高幅度的噪聲信號，其頻率相對較低，一般在20kHz以下。所以在傳感器、前置放大器以及主放大器內的濾波器都是20kHz以上的高通器件，這樣高幅度的振動信號在所採集的信號中不會出現。但由於聲波傳播的複雜性，以及各種色散效應，採集的信號還是含有共振噪聲信號。
另一個硬體降噪的方法，如前所述採用外觸發器，讓採集卡只在試樣受拉伸時採集數據。這時在採集的信號中裂紋擴展信號所佔的比例就大得多。如圖3所示。我們只需採集圖中陰影部分裂紋在高應力作用下擴展時的信號。
3.2 信號的軟體處理和