基于聲發(fā)射技術的金屬高頻疲勞監(jiān)測
加入技術交流群
對于儀器內部的電磁噪聲，跟疲勞試驗的外界機械噪聲相比，這類噪聲的幅度相對較小，而且這類噪聲一般具有高斯白噪的特點，使用小波降噪方法，可以大幅度地減少這些噪聲的干擾。
裂紋閉合的摩擦噪聲和電磁噪聲通過上述的硬件方法和小波去噪的方法基本消除，剩下的主要是機械共振產生的機械振動噪聲以及銷軸與試樣在受交變力作用下的撞擊聲發(fā)射信號。從圖2可見，傳感器S3和S4起到警戒傳感器的作用。由于機器共振產生的聲發(fā)射信號，四個傳感器都能接收到，而且其信號的類型和頻譜特征也應基本相同，由于S3和S4是靈敏度更高的窄帶諧振傳感器，所以這兩個傳感器接收到來自機器共振聲信號的幅度應大一些。機器共振信號要根據其特點：首先，其幅度一般不超過0.6伏；其次，這類信號四個傳感器都能接收到，其中S3和S4的信號幅度在傳播中沒有明顯的衰減而變小的現象，而是跟S1和S2信號幅度差不多或更大一些，這說明信號并非來自試樣本身。有了這兩個特征，就可以用S3和S4為參考信號，逐個對比S1和S2采集到的信號，將符合這兩個特征的信號去掉，也就除去了由于機器振動產生的噪聲。
銷軸與試樣的摩擦和撞擊產生的聲發(fā)射噪聲信號排除是個難題。在背景噪聲測量中，同樣可以得到它們的聲發(fā)射信號。圖4給出了試樣與夾具間碰撞產生信號的頻譜圖。從圖中可以看出，信號的頻率范圍較寬，最大值出現在60kHz處，且低于100kHz的頻率分量占相當大的一部分。而對于金屬
圖5 裂紋擴展的聲發(fā)射信號及其頻譜圖
裂紋擴展信號，人們做過很多次的實驗表明，其主要的頻率范圍在100kHz至550kHz之間，在
這個頻帶范圍內聚積了聲發(fā)射裂紋擴展信號的絕大部分能量[13]，是這類噪聲信號的突破口。試樣中的裂紋擴展聲發(fā)射信號，從圖5中看出，其頻率分量主要集中于100kHz以上，而且其幅度遠較低頻分量信號大（對比圖4）。
至此我們已經描述了各種干擾噪聲的特點和減少它們影響的方法，通過處理就可以從所采集到的聲發(fā)射信號中分離出噪聲，獲得較為"干凈"的裂紋擴展聲發(fā)射信號。
4試驗結果分析
裂紋的擴展長度與循環(huán)時間的人工測量結果如圖7所示。人工測量得出的方法是：試驗前在試樣的兩表面以人工預制裂紋（線割2.5mm）尖端為起點，每隔0.5mm劃上刻度線，試驗過程中，觀測人員借助放大鏡讀出裂紋擴展的長度值，取兩表面讀數的平均值為測量結果。從圖可看出，在聲發(fā)射信號采集40至41分鐘時，開始觀察到裂紋的擴展，42到67分鐘之間裂紋呈緩慢地擴展狀態(tài)，在67分鐘左右突然出現快速擴展的趨勢。
圖6給出了聲發(fā)射信號的撞擊數率與試驗時間的關聯圖。從圖6可以看出聲發(fā)射信號的變化規(guī)律與實測裂紋擴展的變化規(guī)律相類似，也就是說聲發(fā)射信號的變化反映出了高背景噪聲下疲勞裂紋的變化。圖6中，在38到41分鐘，以及65至70分鐘時聲發(fā)射的撞擊數率有著非常明顯的增大。更值得注意的是，在圖6的第38分鐘時，聲發(fā)射撞擊數率已經有了很大的變化，說明此時試樣內部有大量的聲發(fā)射事件發(fā)生，而在圖7的相應時間點沒有任何可見變化。聲發(fā)射信號說明此時材料內部有微觀起裂或裂紋擴展，它的發(fā)現要明顯早于試樣表面的宏觀裂紋變化。所以說用聲發(fā)射監(jiān)測材料的高頻疲勞是完全可行的，而且能及時反映出材料內部疲勞損傷的變化。
在引言部分討論過，可以建立聲發(fā)射參數與應力強度因子幅值之間的關聯，而且提出用能量的表示方法更能反應在疲勞載荷作用下裂紋擴展的狀況。為此將聲發(fā)射信號分析處理后獲得的聲發(fā)射能量與疲勞循環(huán)次數的關系做成圖8，圖中曲線是由計算機采集處理的聲發(fā)射信號按3.2節(jié)方法進行處理后得到的聲發(fā)射能量曲線。
從圖8看出，在循環(huán)次數為以前，聲發(fā)射信號的累計能量很小，相對應的應該是裂紋未發(fā)生擴展的階段（或稱第一階段），在循環(huán)次數為至之間聲發(fā)射能量處于穩(wěn)定的緩慢增加階段（或稱第二階段），當循環(huán)次數超過以后，聲發(fā)射能量呈現快速增加的趨勢（或稱第三階段）。但聲發(fā)射能量變化的拐點，總是先于人工觀測到的裂紋變化，這說明聲發(fā)射技術的靈敏度高，由此也可說明，用聲發(fā)射技術能監(jiān)測到材料內部裂紋的活動情況。同樣對于本試驗材料的起裂點，聲發(fā)射能量上的判斷為496500次循環(huán)左右，早于人工用放大鏡觀察到的520000次循環(huán)左右。
圖7 裂紋擴展長度隨循環(huán)時間的變化 圖8 聲發(fā)射總能量隨循環(huán)次數的變化圖
對于張開型疲勞裂紋擴展方式，考慮緊湊拉伸試樣的幾何效應和結構效應對應力強度因子的影響，其應力強度因子幅度可由相關公式計算得到[5]。我們還得到了如圖8所示的聲發(fā)射能量與循環(huán)次數的試驗值，就可以求出式（3）中的與材料性質相關常數C3和。對于裂紋穩(wěn)定擴展階段，從上述試驗的數據可計算出：C3=， =2.69。顯然式（4）可以寫成如下方程：(5)
5結論
本文的聲發(fā)射檢測和分析技術，可以應用于高頻疲勞試驗機上金屬試樣裂紋擴展的監(jiān)測，而且在復雜噪聲背景下能夠獲得真正裂紋擴展的聲發(fā)射信號。將聲發(fā)射信號的能量與循環(huán)次數進行關聯，能得到與人工觀測的裂紋擴展相同的變化規(guī)律，但聲發(fā)射方法更為靈敏，可監(jiān)測到材料內部的微小裂紋的擴展，而這個擴展要早于人工觀察到的裂紋變化。
根據本文提出的分析技術，還得到試樣的聲發(fā)射能量與疲勞循環(huán)次數以及應力強度因子之間的關系式：。按此公式，通過聲發(fā)射信號能量的短時監(jiān)測，可以在工程上對運轉中的機械裝備進行疲勞裂紋擴展和剩余疲勞壽命預測，但在疲勞壽命預測方面還需做進一步的實驗研究。
評論