LY12鋁合金試件拉伸聲發(fā)射信號(hào)特征分析與狀態(tài)識(shí)別

丁立偉

(兗礦集團(tuán)科澳鋁業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

LY12鋁合金是一種高強(qiáng)度硬鋁，廣泛應(yīng)用于航空高負(fù)荷零件和構(gòu)件中，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)(蒙皮、骨架、肋梁及隔框等)、鉚釘、導(dǎo)彈構(gòu)件、卡車(chē)輪轂、螺旋槳元件等[1,2]。LY12鋁合金雖然應(yīng)用比較廣泛，但是對(duì)其進(jìn)行完整損傷形成和發(fā)展過(guò)程的檢測(cè)試驗(yàn)手段比較匱乏[3]。有研究表明聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)完全可以勝任這項(xiàng)任務(wù)。聲發(fā)射指當(dāng)材料受內(nèi)/外力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)以彈性波釋放出應(yīng)力-應(yīng)變的現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的缺陷或損傷、流體泄漏、摩擦及燃燒等情況，已廣泛應(yīng)用于制造、金屬材料、復(fù)合材料、巖石、過(guò)程監(jiān)測(cè)、壓力容器及飛機(jī)探傷等領(lǐng)域[4,5]。聲發(fā)射具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、提前預(yù)警和不影響被測(cè)對(duì)象工作狀態(tài)的特點(diǎn)，使其具有其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)。

目前對(duì)LY12鋁合金在拉伸狀態(tài)下的聲發(fā)射特征檢測(cè)相對(duì)較少，因此檢測(cè)LY12鋁合金材料的多種拉伸狀態(tài)下的聲發(fā)射特性是十分必要的[6,7]。在此，筆者利用聲發(fā)射技術(shù)研究了LY12鋁合金試件在彈性、屈服、塑性變形和斷裂階段的聲發(fā)射信號(hào)特征，以期獲得試件狀態(tài)與聲發(fā)射信號(hào)特征之間的關(guān)系，為L(zhǎng)Y12鋁合金材料部件的定損提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料①

本次試驗(yàn)中所使用的材料為L(zhǎng)Y12高強(qiáng)度鋁合金，其化學(xué)成分為：硅(0.50%)、銅(3.80%～4.90%)、鐵(0.50%)、錳(0.30%～0.90%)、鎂(1.20%～1.80%)、鉻(0.10%)、鎳(0.50%)、鋅(0.25%)、鈦(0.15%)、其他(0.15%)，其余為鋁。先采用機(jī)械加工計(jì)數(shù)制備試件，如圖1所示，試件結(jié)構(gòu)尺寸420mm×50mm×2mm，無(wú)裂紋無(wú)損傷。

圖1 試件尺寸

2 試驗(yàn)裝置

試件拉伸采用WEW-100萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，聲發(fā)射檢測(cè)裝置采用美國(guó)物理聲學(xué)公司的PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，傳感器選用諧振式傳感器，其工作頻率150kHz。構(gòu)建的拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，傳感器布置于試件試驗(yàn)區(qū)的兩端，傳感器的前置放大器增益為40dB，門(mén)檻值30dB，采樣頻率2MHz，峰值限定時(shí)間200ms，聲發(fā)射擊波限定時(shí)間600ms，聲發(fā)射擊波閉鎖時(shí)間800ms。

圖2 拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 持續(xù)拉伸試驗(yàn)

持續(xù)拉伸試驗(yàn)的拉伸速度設(shè)為150N/s，試驗(yàn)持續(xù)歷時(shí)1 287s，試件材料最大可承受應(yīng)力24kN，整個(gè)拉伸過(guò)程分為3個(gè)階段。試件拉伸和聲發(fā)射事件特征如圖3所示。

圖3 試件拉伸和聲發(fā)射事件特征

材料的彈性變形階段為0～150s，彈性變形的實(shí)質(zhì)是材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來(lái)的形狀。從聲發(fā)射事件積累計(jì)數(shù)曲線(圖3)可以看出，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)只有一個(gè)突發(fā)的計(jì)數(shù)積累，之后并沒(méi)有增加。由此表明，在材料的彈性變形階段，材料不產(chǎn)生或產(chǎn)生少量的聲發(fā)射信號(hào)。

材料的屈服階段在150～200s之間，通過(guò)圖3中的拉伸應(yīng)力曲線可以看出，試件并沒(méi)有明顯的屈服階段，通常規(guī)定以卸載后產(chǎn)生0.2%的塑性變形的應(yīng)力為屈服應(yīng)力。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，試件的屈服應(yīng)力約18kN。試驗(yàn)設(shè)定材料屈服應(yīng)力范圍內(nèi)的時(shí)間段為屈服階段。在此階段內(nèi)，事件計(jì)數(shù)相比前一階段有明顯的增加，這說(shuō)明在材料的屈服應(yīng)力段，開(kāi)始有大量聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生。

材料的塑性變形階段是從200s至斷裂結(jié)束。塑性變形指材料內(nèi)部出現(xiàn)大量的位錯(cuò)，使材料發(fā)生永久性的變形，并且在此階段后期，材料會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋經(jīng)歷成核、擴(kuò)展直至斷裂。在試驗(yàn)中，材料的塑性變形階段出現(xiàn)鋸齒流變現(xiàn)象。從圖3的事件累積計(jì)數(shù)曲線可以看出，塑性變形階段的前期事件計(jì)數(shù)有較大幅度的增加。而在900s至試件斷裂的時(shí)間段內(nèi)，事件計(jì)數(shù)增長(zhǎng)相對(duì)前半段較為平緩。因而，從聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)變化可以很明顯地反映材料在拉伸過(guò)程中的狀態(tài)變化，特別地可用于區(qū)分彈性變形階段和塑性變形階段。

將事件計(jì)數(shù)與聲發(fā)射信號(hào)的平均幅值變化結(jié)合，可以更為明顯地反映聲發(fā)射在材料拉伸過(guò)程的階段特性。圖4為聲發(fā)射信號(hào)平均幅值圖，彈性變形階段(0～150s)只在前期有一段相對(duì)較高幅值的信號(hào)產(chǎn)生，隨后平均幅值就開(kāi)始減小，前期的高幅值信號(hào)主要是試驗(yàn)機(jī)夾具產(chǎn)生的摩擦噪聲，隨后的數(shù)量較少；幅值較低的信號(hào)為材料內(nèi)部小部分缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。在屈服階段(150～200s)，平均幅值有所提高，當(dāng)材料進(jìn)入塑性變形階段，即200s之后，聲發(fā)射信號(hào)平均幅值相比前兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)平均幅值提高較為明顯，有的甚至達(dá)到60dB以上，這主要是由于材料發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部出現(xiàn)大量位錯(cuò)，從而產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號(hào)[8]。在900s至試驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間段內(nèi)，聲發(fā)射信號(hào)的平均幅值較之前有所降低，但是幅值變化較為穩(wěn)定。這一過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)主要是由裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展產(chǎn)生的。

總之，上述兩個(gè)主要的聲發(fā)射特征參數(shù)已經(jīng)可以很明顯地區(qū)分試件所處拉伸過(guò)程的各個(gè)階段。證實(shí)聲發(fā)射技術(shù)完全可以動(dòng)態(tài)地檢測(cè)材料內(nèi)部產(chǎn)生的變化。

圖4 聲發(fā)射信號(hào)平均幅值

3.2 保壓試驗(yàn)

由持續(xù)拉伸試驗(yàn)可以看出，試件在24kN斷裂，為了分析保壓工況下的聲發(fā)射信號(hào)特征，設(shè)定在拉伸應(yīng)力達(dá)到10、20kN時(shí)分別進(jìn)行2min的保壓，保壓試驗(yàn)應(yīng)力與聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)如圖5所示。

圖5 保壓試驗(yàn)應(yīng)力與聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)曲線

對(duì)比持續(xù)拉伸試驗(yàn)，圖5所示的應(yīng)力在10kN時(shí)正處于材料的彈性變形階段。當(dāng)進(jìn)行保壓之時(shí)，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)并未增加。保壓2min后，繼續(xù)加載，當(dāng)加載到屈服應(yīng)力以前，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)只有少量增加。應(yīng)力加載至材料的屈服階段(400～450s)時(shí)，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)才有相對(duì)明顯的增加，這與持續(xù)拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)特征相符，說(shuō)明在材料彈性變形階段進(jìn)行保壓并不會(huì)有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)在此階段的特性也并未受到影響。

試驗(yàn)材料在20kN保壓時(shí)，材料處于塑性變形階段。在保壓之前，即500s之前，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)增加迅速。當(dāng)進(jìn)行保壓時(shí)，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)并未增加。保壓2min后，繼續(xù)對(duì)材料加載，直至斷裂，其聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)曲線與持續(xù)拉伸試驗(yàn)相應(yīng)階段的事件計(jì)數(shù)變化基本一致，說(shuō)明在塑性變形階段，對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行保壓也不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，同時(shí)保壓并不會(huì)對(duì)后續(xù)加載試驗(yàn)的聲發(fā)射事件特性產(chǎn)生影響[9]。

從上述試驗(yàn)可以看出，無(wú)論材料處于何種拉伸變形階段，對(duì)其進(jìn)行保壓，都不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，同時(shí)也不會(huì)影響其后續(xù)聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生。當(dāng)試件受持續(xù)恒負(fù)載時(shí)，根據(jù)聲發(fā)射的特征參數(shù)可以判定其狀態(tài)也不會(huì)發(fā)生變化。

3.3 重復(fù)加載試驗(yàn)

在材料或構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用中，重復(fù)加載是常見(jiàn)工況。重復(fù)加載試驗(yàn)操作過(guò)程為：拉伸應(yīng)力在11、16、20kN時(shí)保壓2min，保壓后，卸載應(yīng)力分別至6、6、3kN進(jìn)行保壓，然后繼續(xù)加載。同時(shí)對(duì)重復(fù)加載過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行研究。重復(fù)加載試驗(yàn)應(yīng)力和聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)如圖6所示。

圖6 重復(fù)加載試驗(yàn)應(yīng)力和聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)

在11kN進(jìn)行重復(fù)加載時(shí)，材料正處于彈性變形階段。在圖6中，進(jìn)行保壓和卸載時(shí)，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)沒(méi)有明顯的變化。當(dāng)從6kN進(jìn)行加載后，約450s時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)并未明顯增加。從450s繼續(xù)加載，材料進(jìn)入屈服階段，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)有明顯的增加，變化規(guī)律也與持續(xù)拉伸試驗(yàn)吻合。在16kN進(jìn)行重復(fù)加載時(shí)，材料處于屈服階段。從500s時(shí)刻起至800s，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)并未增加。自800s起，聲發(fā)射時(shí)間計(jì)數(shù)才有明顯的增加，并且增加規(guī)律與持續(xù)拉伸試驗(yàn)此階段的規(guī)律相符。拉伸應(yīng)力達(dá)到20kN時(shí)，材料發(fā)生塑性變形。對(duì)材料進(jìn)行重復(fù)加載，由事件累積計(jì)數(shù)曲線可以看出，從1 100s至重復(fù)加載到相應(yīng)應(yīng)力前，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)并未增加，并且曲線后面的變化規(guī)律與持續(xù)拉伸試驗(yàn)一致。

在重復(fù)加載過(guò)程中，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)與拉伸應(yīng)力存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7)，在3次重復(fù)加載試驗(yàn)中，材料在重復(fù)載荷到達(dá)之前，所加載的最大應(yīng)力之前并不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。當(dāng)重新加載至超過(guò)卸載之前的最大應(yīng)力時(shí)，材料會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射特征符合對(duì)比的持續(xù)拉伸試驗(yàn)各個(gè)階段的聲發(fā)射特征。因此，對(duì)無(wú)裂紋和損傷的材料進(jìn)行重復(fù)加載過(guò)程時(shí)，無(wú)論材料處于何種變形階段，在重復(fù)載荷到達(dá)之前所加載最大載荷之前不會(huì)發(fā)生明顯聲發(fā)射，并且重復(fù)加載并不會(huì)影響后續(xù)拉伸過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生。

圖7 聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)與拉伸應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)LY12鋁合金試件在彈性、屈服、塑性變形和斷裂階段的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行試驗(yàn)，證實(shí)聲發(fā)射特征可以充分反映材料在拉伸過(guò)程所處的變形階段。當(dāng)拉伸應(yīng)力穩(wěn)定的情況下，材料無(wú)論處于何種變形階段都不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。當(dāng)材料無(wú)缺陷和損傷時(shí)，對(duì)其進(jìn)行重復(fù)加載，當(dāng)重復(fù)加載到卸載前的應(yīng)力最大水平前，材料本身并不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，這充分反映了聲發(fā)射的不可逆性。這幾個(gè)結(jié)論，都可以作為檢測(cè)材料缺陷和損壞的依據(jù)。