16mn鋼疲勞過程中聲發(fā)射特性的試驗研究

16mn鋼疲勞過程中聲發(fā)射特性的試驗研究

1聲發(fā)射技術(shù)損傷可定義為導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)強度降低的微觀結(jié)構(gòu)變化，這些材料和結(jié)構(gòu)強度是糟糕的。工程結(jié)構(gòu)在服役一定的壽命后,由于承受循環(huán)載荷作用引起的疲勞損傷累積是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終失效的主要原因。及時、正確地評價在役工程結(jié)構(gòu)的疲勞損傷程度,將為有關(guān)管理人員對服役結(jié)構(gòu)做出合理決策,確保其安全運用提供依據(jù)。聲發(fā)射技術(shù)(AcousticEmissionTechnique)因具有動態(tài)、實時檢測等優(yōu)點,自從20世紀(jì)60年代,德國Kaiser教授開拓此領(lǐng)域的研究以來,逐漸得到廣泛的工程應(yīng)用。但目前國內(nèi)外應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對金屬材料和零部件的疲勞損傷評估以及剩余壽命預(yù)測方面得到的成果,距離該問題的圓滿解決還有較大的差距。筆者借鑒前人的研究成果,采用該無損檢測技術(shù)研究鐵路常用材料16Mn鋼的疲勞特性。本材料被所有提速客車廣泛應(yīng)用,因此,研究16Mn鋼材料疲勞損傷評估的新型方法,將為推進鐵路向著高速、重載的目標(biāo),實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供技術(shù)保障。2測試2.1示例試驗中采用的16Mn鋼試樣尺寸和16Mn鋼的化學(xué)成分及機械性能參數(shù)分別如圖1和表1所示。2.2聲發(fā)射儀器和傳感器試驗中應(yīng)用的設(shè)備主要有MTS810疲勞試驗系統(tǒng)(MaterialTestSystem,見圖2)、LOCAN320聲發(fā)射儀、R15和R30聲發(fā)射傳感器(見圖3),以及PAC公司專用AE前置放大器。2.3設(shè)備配置LOCAN320:門檻(Threshold)為40dB,系統(tǒng)增益(Gain)為15dB。2.4彈性塑料資源用耦合劑將聲發(fā)射傳感器耦合在試樣薄弱部位的表面,并用彈性塑料箍緊,最后再用膠帶固定,保證傳感器和試樣較好地接觸并使粘合劑層盡量薄,這將更好地適于聲發(fā)射信號的傳播。圖4給出了傳感器和試樣的相對關(guān)系示意圖。2.5疲勞試驗及結(jié)果首先分等級施加脈動載荷,根據(jù)得到的試驗數(shù)據(jù),修正16Mn鋼材料的P-S-N曲線,然后選擇合適的載荷,在疲勞試驗全過程檢測其聲發(fā)射信號特征。試驗中,選取3個等級的脈動載荷,即分別為0～80kN、0～70kN和0～65.4kN。具體實施安排如下:1)0～80kN載荷工況下,加載速率為5Hz,疲勞一定次數(shù)后實施了0～80kN的靜拉試驗,加載速率為1kN/s,采集此靜拉伸過程的聲發(fā)射信號特征;然后繼續(xù)按上述試驗條件施加疲勞載荷,至某循環(huán)次數(shù)后重復(fù)前述靜拉伸,如此反復(fù),直到試樣疲勞斷裂。兩次靜拉伸之間的循環(huán)次數(shù)間隔不等,為了更好地發(fā)現(xiàn)損傷對聲發(fā)射的影響,較為隨意地選取。2)0～70kN載荷工況下,加載速率依然為5Hz。疲勞試驗前首先進行0～80kN的靜拉,加載速率為1kN/s,采集此靜拉伸過程的聲發(fā)射信號特征;然后施加0～70kN的脈動載荷,至某循環(huán)次數(shù)后重復(fù)0～80kN的靜載,繼續(xù)疲勞試驗,如此往復(fù)直至試樣斷裂。3)0.0～65.4kN載荷工況下,加載速率設(shè)置了5,8和10Hz三檔。試驗安排基本同0～70kN載荷工況,只是靜載范圍為0～70kN,脈動循環(huán)載荷最大值為65.4kN。如此以來,可以得到不同等級載荷下16Mn鋼材料的疲勞壽命,如表2所示。根據(jù)參考文獻所論述的求S-N曲線的成組法和上述表格所示的由試驗得到的實際數(shù)據(jù),得到的16Mn鋼試樣S-N曲線為lgN=20.0351-5.6599lgσmax。由此S-N曲線可計算得到疲勞壽命為100000次時,對應(yīng)的脈動循環(huán)載荷最大值為94.43kN。故在全過程檢測聲發(fā)射信號特征的疲勞試驗中,施加的脈動循環(huán)載荷范圍為0～94kN,考慮到LOCAN320的內(nèi)存有限,加載速率選為12Hz。3聲發(fā)射特征參數(shù)將采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)根據(jù)傳感器R15的有效頻率范圍,運用LOCAN320自身配置的后處理軟件進行濾波處理,并繪制相關(guān)參數(shù)曲線。圖5～圖7所示的是某試樣在0～94kN脈動循環(huán)疲勞試驗全過程中聲發(fā)射特征參數(shù)的情況。限于篇幅,此處不分析上述每次靜拉過程中采集到的聲發(fā)射信號特征,而僅給出疲勞試驗全過程進行聲發(fā)射檢測的情況。另外,也鑒于分析表明對16Mn鋼材料來說,R15型傳感器采集聲發(fā)射信號的效果優(yōu)于R30型,此處也不再給出應(yīng)用R30型傳感器的試驗結(jié)果。為了更好地分析振鈴數(shù)和累計振鈴數(shù)的變化規(guī)律,以下特別將圖6和圖7的關(guān)鍵部分放大,分別示于圖8、圖9和圖10。4聲發(fā)射的開始疲勞全過程檢測的結(jié)果示于圖5～圖7。由圖5可以看出,除了疲勞試驗開始時有幾個較大的聲發(fā)射幅值點外,大而密的幅值點主要出現(xiàn)在疲勞循環(huán)的后期,中間階段幾乎沒有聲發(fā)射信號出現(xiàn);圖6顯示出振鈴數(shù)表征的聲發(fā)射信號也主要在疲勞循環(huán)的后期發(fā)生,而在疲勞試驗開始出現(xiàn)一些聲發(fā)射之后,一直到再次出現(xiàn)強烈的聲發(fā)射中間幾乎沒有任何聲發(fā)射的跡象。圖7所示的累計振鈴數(shù)曲線更容易看出上述規(guī)律。將主要出現(xiàn)聲發(fā)射的階段分解出來,放大到如圖8～圖10所示。由圖8可以看出疲勞試驗剛開始就出現(xiàn)了聲發(fā)射,這是因為脈動循環(huán)載荷的最大載荷達到94kN,超過16Mn鋼的屈服極限,且加載頻率為12Hz。此后不出現(xiàn)聲發(fā)射可以理解為材料性質(zhì)沒有出現(xiàn)可以產(chǎn)生聲發(fā)射的變化。到疲勞試驗至1550s時,開始再次出現(xiàn)較起始時更強烈的聲發(fā)射現(xiàn)象(見圖9),便可以歸于經(jīng)過相當(dāng)長時間的疲勞載荷作用,材料出現(xiàn)了損傷。在生產(chǎn)實際中,如果用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷,如果出現(xiàn)這種情況,就要引起重視了。5聲發(fā)射試驗結(jié)果通過對試驗結(jié)果的分析可以得出如下結(jié)論:1)筆者得出了鐵路常用材料16Mn鋼材料修正的S-N曲線。盡管得到試樣疲勞性能參數(shù)的方法并沒有完全遵循疲勞試驗規(guī)程中連續(xù)進行疲勞試驗的要求,而是間斷并實施了等于或略大于脈動循環(huán)載荷最大值的靜拉伸,但結(jié)果證明,這種加載方式并不影響S-N曲線系數(shù)的回歸,即未引入影響疲勞的損傷。這為結(jié)構(gòu)在經(jīng)過一定時間運用后,可以利用對結(jié)構(gòu)施加靜載進行常規(guī)檢測提供了理論依據(jù)。2)試驗結(jié)果證明,應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)可以定性描述16Mn鋼材料經(jīng)過