基于声发射技术监测疲劳磨损失效的研究进展

现代工业的一些重要零部件在变载荷的作用下易发生疲劳磨损失效。声发射技术作为一种新型的无损监测技术,可以实现早期的安全预警,被广泛应用在机械零件、工程构件及涂层的失效监测上。参数分析法是最常用的声发射信号处理方法。典型的声发射特征参数包括能量、计数、幅值等。对声发射信号参数法分析轴类零件及涂层的失效模式的研究现状进行了较为全面的综述,最后总结了目前存在的问题,简述了解决思路,以期为声发射技术监测疲劳磨损失效奠定良好的基础。

涂层疲劳损伤声发射特征参数及损伤机理

使用超音速等离子喷涂设备在1045钢基体上制备了铁基合金涂层。以球盘式接触疲劳试验机为平台,研究了涂层接触疲劳损伤过程中声发射特征参数的变化规律,并分析了涂层的接触疲劳损伤机理。结果表明,在转速为2500r/min和应力水平为1.58GPa实验条件下,点蚀是涂层的主要失效形式,表现为在涂层磨痕轨迹范围内出现大量的点蚀坑,点蚀坑深度为20～30μm。涂层表面粗糙的微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损,以及涂层、磨粒、滚动轴承三者形成三体磨料磨损是点蚀失效产生的主要原因。声发射幅值、有效值(Root Mean Square,RMS)、能量、计数和平均频率对涂层表面粗糙微凸体去除、弹塑性变形、裂纹萌生、裂纹稳定扩展和失稳扩展过程比较敏感,并且在不同的疲劳损伤阶段具有不同的信号反馈特点。

2205双相不锈钢疲劳损伤声发射研究

2205双相不锈钢以其强度高、耐腐蚀、耐高温等优点成为桥梁结构的新兴材料,但其在疲劳荷载下的损伤问题对整体结构安全性能影响很大。为了明确2205双相不锈钢材料在疲劳荷载下的损伤发展情况,本文对3组相同矩形截面试件进行了三种不同应力比的拉伸疲劳损伤试验,同时进行声发射信号采集,通过声发射经历图分析探讨了声发射振铃计数及能量与试件裂缝发展程度的关系,并且采用裕度指标对试验过程进行了评估。结果表明,随着应力比的增大,声发射特征参数的循环周次有了一定的增长,且试件损伤进程放缓;同时裕度评价指标的变化范围逐渐减小,说明该指标可以较好地表征试件的疲劳损伤发展情况。基于试验和分析结果建立声发射累计振铃计数-疲劳裂纹长度的疲劳损伤模型,通过该模型得出的计算裂纹与实际裂纹发展趋势较为吻合。故本文研究成果可为2205双相不锈钢材料疲劳损伤检测和评估提供依据。

起重机钢梁疲劳特性声发射监测实验研究

起重机钢梁作为主要承力部位关系到起重机的安全运行,目前仍无有效手段对其疲劳特性进行在线实时监测。采用声发射技术对钢梁材料Q345疲劳特性进行实验研究,首先通过动态弯曲疲劳实验获得材料疲劳裂纹萌生、扩展和断裂全过程的声发射检测信号;然后提取和分析声发射信号中的特征参数,经过比较各参数历程图,发现在幅值和事件历程图中可以反映材料疲劳裂纹整体演变过程,而能量、计数、上升时间和持续时间这4个特征参数更能反映出裂纹变化的重要转折点。此外对各个阶段声发射信号产生的原因进行分析和总结,为下一步采用声发射技术对钢梁材料损伤定量及寿命预测的研究提供参考依据。

FRP胶栓混接节点疲劳性能试验研究

FRP胶栓混接节点兼具胶接节点和栓接节点的优点,静力性能优良,但疲劳破坏机理尚不明确;为了深入研究FRP胶栓混接节点在多种工况下的疲劳性能,文中设计制作了单搭接FRP胶栓混接节点试件。首先进行轴向拉伸及四边剪切作用下的静载试验,得到了相应的破坏模态和极限承载力;随后开展两种工况下的高周疲劳荷载试验,采用声发射技术测得了胶层的疲劳损伤发展过程,得到了试件的疲劳破坏模式、特征疲劳寿命以及刚度退化规律,并提出了疲劳寿命预测方法建议。结果表明:FRP胶栓混接节点的抗疲劳性能主要由栓接控制,其疲劳破坏过程可分为胶层累积损伤、胶层破坏、FRP累积损伤、FRP破坏4个阶段,其中胶层破坏阶段和FRP破坏阶段的声发射特征参数发生显著变化,可作为识别破坏发生的依据;当螺栓数量较少时两种工况下的试件均发生螺帽挤入FRP板的破坏,当螺栓数量较多时拉伸试件以FRP板孔边拉剪破坏为主,剪切试件以FRP板整体剪切破坏为主;螺栓数量增加能够显著提升拉伸试件的特征疲劳寿命,并有效抑制疲劳破坏过程中的刚度下降速度,但剪切试件的疲劳性能对螺栓数量不敏感;基于试验数据拟合得到的不同工况下的S-N曲线公式可为FRP胶栓混接节点疲劳寿命计算提供参考,有助于此类节点在桥梁等主要承受反复荷载作用结构中的应用。

碳纤维复合材料气瓶声发射监测试验研究

碳纤维复合材料气瓶在循环充放气等复杂服役工况下易发生疲劳开裂、泄漏等损伤,需要及时监测和预警。通过声发射方法在线监测循环载荷作用后的复合材料气瓶升压-保压过程,分析声发射信号特征参量,探究气瓶损伤声发射检测定位与气瓶损伤位置关系,并对出现泄漏失效的气瓶进行渗透检测、目视检查和相控阵超声检测。试验及分析结果表明,声发射监测能够准确识别复合材料气瓶疲劳开裂、泄漏等损伤,撞击数、计数、能量、定位信息等声发射监测数据能够作为气瓶损伤发生时间和位置的判据,渗透检测、目视检查和相控阵超声检测方法进一步验证了声发射监测判据的准确性。

PE燃气管受外压失效过程声发射信号规律

为研究埋地聚乙烯(PE)燃气管受外压作用下破坏过程及声发射信号变化规律,利用多功能力学试验机在4种不同加载速度下进行恒速外压实验,首先在时域下对外压失效过程各阶段的声发射信号特征参数变化规律进行分析,然后应用频谱分析方法对不同加载速度下的外压破坏过程声发射信号的频谱规律进行研究。结果表明,外压失效过程大致分成四个阶段,第一阶段无明显的声发射信号产生;特征参数(能量计数、振铃计数)数值在第二阶段达到最大,第四阶段次之,第三阶段最小;外压失效破坏过程中,声发射信号的主频稳定在63~64 kHz范围内;声发射信号频率主要成分在60~70 kHz,120~130 kHz,180~190 kHz范围内。

高温合金基于二次K熵的疲劳扩展声发射特征

用高灵敏声发射技术在线监测金属疲劳裂纹的扩展,研究了高温合金基于二次K熵的疲劳扩展声发射特征,提出二次K熵方法并将计算结果作为分析这种不确定性的新参数。研究结果表明,金属疲劳扩展过程中的声发射信号具有混沌特性,对其二次K熵处理结果表明其趋势变化与疲劳裂纹扩展过程有更为清晰的对应关系,且能提前得到更为精确的疲劳断裂信息,提前率达到8%以上,为预测疲劳断裂提供了依据。

SA508低合金钢焊缝疲劳裂纹声发射信号特征识别研究

利用声发射(AE)检测技术,对核电主设备SA508低合金钢焊缝疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂阶段进行特征识别研究。对SA508低合金钢焊缝试样进行循环加载,模拟焊缝疲劳裂纹产生过程;采用DSP信号采集系统,采集得到不同阶段的声发射特征。研究发现:1)裂纹在不同阶段下声发射信号的时域特征与理论研究相符;2)在频域下,裂纹萌生、扩展阶段的声发射信号频率成分主要集中在430 kHz以内,断裂阶段出现更高的频率成分;3)幅度、持续时间、上升时间、振铃计数、能量这五个特征参数在不同阶段变化显著,可用于不同阶段下声发射信号的识别。