基于數字圖像和聲發射技術的4130X鋼拉伸斷裂損傷狀態監測

王恩和，劉 鵬，李彩瑞，蔣 鵬

(1.安徽省特種設備檢測院，合肥 230061；2.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318)

近幾年，我國的壓縮天然氣(CNG)加氣站網絡正在逐步形成，存儲和運輸壓縮天然氣的主要設備多為CNG高壓氣瓶組。CNG高壓氣瓶組主要采用4130X結構鋼制成，受CNG介質中所含的硫、硫化氫和水分等雜質的影響，4130X鋼易產生應力腐蝕失效，在交變應力作用下容易出現疲勞裂紋，進而引發失效，甚至造成嚴重的后果。因此，采用無損檢測技術進行損傷特性監測是材料損傷識別領域的研究重點。

聲發射(AE)技術是一種能夠實現現有裂紋狀態監測及評價的無損檢測技術，是承壓設備在線監測領域的重要技術手段[1]。4130X鋼屬于合金鋼，其應力強度因子閾值變化較明顯，裂紋開裂的敏感性較高，只采用聲發射技術對其進行損傷特性分析有所不足，還需結合其他無損檢測手段來提高損傷特征的提取和識別能力。數字圖像相關技術(DIC)是一種非接觸式的應變測量技術，已廣泛應用于材料應變測量和裂紋擴展監測等方面[2-3]。

20世紀80年代，YAMAGUCHI等[4]最先提出DIC技術。近些年逐漸有學者將AE技術和DIC技術結合起來對不同材料的損傷演化規律進行研究，LU等[5-6]使用AE技術和DIC技術對巖石材料進行了研究，通過對有預裂紋的砂巖梁試件的一系列彎曲試驗，達到了實時監測裂紋尖端的開裂過程和采集變形特征的目的；FARHIDZADEH等[7-8]使用AE技術和DIC技術對復合材料進行了研究，發現了接收到的AE信號與DIC數據之間有很好的相關性。可以看出，DIC技術主要用于試件表面的應變表征，AE則可以利用聲發射信號的變化規律來分析材料內部的損傷演化規律[9-10]。將兩者結合使用，發揮各自的優點是材料損傷無損檢測領域研究的熱點之一。

筆者提出了基于DIC和聲發射技術的材料變形應變狀態表征，開展了4130X鋼加載過程中的DIC和聲發射監測，研究了應變非均布變化參量與受載過程中損傷變化的對應關系，同時進行了損傷過程產生的聲發射特征信號的識別與表征。

1 試驗原理及方法

1.1 變形不均勻程度表征

DIC的基本原理是使用CCD(電荷耦合器件)攝像機對試驗過程中的試件表面形變進行拍攝，通過應變分析預設計算區域，將目標圖像與參考圖片最相關的點定義為同一點，并在試驗中計算同一點在目標圖像與參考圖片中坐標的偏移量，得到該點的位移，再利用位移變化表征材料表面的應變變化。DIC測量原理如圖1所示。

圖1 DIC測量原理示意

為量化試樣表面變形不均勻程度，引入應變標準差作為材料損傷過程表面應變及損傷的表征參量，能夠較好地反映數據離散程度[見式(1)]。設為各像素點應變分布的平均值，其計算方法如式(2)所示。

(1)

(2)

式中：SD為應變標準差；εi為第i個像素點的應變值；n為像素點的個數。

1.2 試驗材料及尺寸

試驗材料為4130X鋼，其力學性能為：抗拉強度不小于930 MPa;剪切強度不小于785 MPa；標距長度5倍直徑的伸長率不小于12%；斷面收縮率不小于50%；深2 mm U型缺口試件的沖擊吸收功不小于63 J；布氏硬度不大于229 HB。試件為板狀，具體尺寸如圖2所示。試件分為兩種，一種無預制缺陷，一種在試件中心處預制規格為0.4 mm×0.4 mm×2 mm(長×寬×深)，沿試件厚度方向貫穿的缺陷。

圖2 試件結構示意

1.3 試驗系統及流程

拉伸斷裂試驗采用島津AG-X型電子萬能試驗機，拉伸速率為0.5 mm·min-1。在拉伸試件兩端分別固定兩個聲發射傳感器，試驗分為2組，對有無預置裂紋的情況進行對比分析，每組各2個，將試件在拉伸機上進行單向拉伸直至最終拉斷，對整個過程進行DIC及聲發射監測。

聲發射監測系統采用PAC公司產的PCI-8系統，門檻為35 dB,前置放大器增益為40 dB，峰值定義時間(PDH)為300 μs，撞擊定義時間(HDT)為600 μs，撞擊閉鎖時間(HLT)為1 000 μs，模擬濾波器上限為20 kHz，下限為400 kHz，采樣率為200萬次/s。Nano30型傳感器的頻率為150 kHz400 kHz，兩傳感器沿著試件中心線對稱放置，彼此相距60 mm，試驗裝置及傳感器布置如圖3所示。

圖3 試驗裝置及傳感器布置示意

2 試驗結果及分析

2.1 4130X鋼拉伸損傷DIC分析

圖4為拉伸過程中試件表面應變云圖最大應變、最小應變以及平均應變響應曲線，根據曲線增長速度，結合拉伸過程中力學曲線大體劃分為I、II、III三個階段，即彈性階段(無明顯屈服階段)、強化階段和縮頸階段。其中紅色曲線對應圖中紅色集中區域，即局部最大應力處；黑色曲線對應圖中紫色集中區域，即局部最小應力處。隨著拉伸機行程不斷增加，最大應變不斷增加，且各階段最大應變增長速率排序為I>II>III。這是由于試件不斷拉伸，試件內部微損傷不斷積聚，逐漸形成微裂紋直至斷裂。

圖4 試件表面應變云圖及最大、最小、平均應變響應曲線

圖5為拉伸過程中試件表面變形不均勻程度(SD)演化曲線，從圖中可以明顯看到階段III的SD明顯大于I,II的。圖6(a)(f)進一步展現了曲線細節，觀察不同階段SD曲線在相同時間間隔(即ΔTA-C=20 s)內的SD增量，帶預制缺陷試件的I,II,III階段ΔSD分別為0.000 245，0.000 903，0.00 445 4。無預制缺陷試件的I、II、III階段的ΔSD分別為0.000 022,0.000 90,0.011 23。3個階段的數據呈現倍率關系，III階段的SD增量近似為II階段的10倍。同時提取3個階段局部細節(見圖6)，帶預制缺陷試件III階段的SD數值變化呈近似線性的增長趨勢，表明此時損傷在勻速形成，預制缺陷處的裂紋線性擴展至失效，而無預制缺陷試件的III階段SD數值則呈現指數增長的趨勢，表明損傷加速累計，試件處于塑性形變狀態直至失效。由此可見，以SD作為評價參量的DIC分析方法能夠較為準確地表征材料損傷的變化趨勢。

圖5 試件表面應變標準差(SD)響應曲線

圖6 試件表面應變標準差(SD)響應曲線細節

2.2 4130X鋼拉伸斷口掃描電鏡分析

采用S-3400N型掃描電鏡(SEM)進行斷口掃描，圖7為試件斷口的微觀形貌。從圖7中可以看出無預制缺陷試件斷口明顯有大量韌窩，表明該斷口以塑性斷裂特征為主。帶預制缺陷試件的韌窩較淺，試件塑性相對較差，同時可以觀察到斷口處的微裂紋，呈現局部脆性斷裂特征。

圖7 斷口微觀形貌

2.3 4130X鋼拉伸損傷聲發射分析

針對上述兩種試件的拉伸斷裂過程，進行聲發射(AE)參量經歷分析，并引入載荷外參數進行實時關聯，AE參量經歷圖如圖8所示。由圖8(a)，(b)可以看出無預制缺陷試件在彈性及塑性的變形階段(階段Ⅰ，Ⅱ)均有聲發射信號出現，這說明彈性變形階段，材料在內部變形中仍存在少量不均勻變形，且隨著載荷增加，微損傷不斷累積[10]。觀察振鈴計數的累計，發現塑性變形階段計數呈現加速增大趨勢，這與SD參量分析一致。觀察帶預制缺陷的AE信號[見圖8(c)，(d)]，發現彈性及塑性階段的聲發射信號分布與無預制缺陷試件類似，但信號強度明顯增大，失效過程中也呈現出了明顯的裂紋擴展的失效特點，并伴有中高幅值的聲發射信號[11]。從累積振鈴計數來看，3個階段的累計增大曲線較一致，這說明損傷的累計增大趨勢可近似為線性關系，這也與SD參量變化的結論相吻合。

圖8 試件的AE參量經歷圖

由此對聲發射信號經歷趨勢及幅值進行分析，無預制缺陷試件在彈性階段試件內部因變形不均勻而產生的微損傷信號幅值為35 dB～40 dB，塑性變形階段的信號幅值有所增大，為40 dB50 dB。帶預制缺陷試件裂紋擴展時的聲發射信號幅值則明顯高于前兩類型，其幅值范圍基本分布于65 dB75 dB。由此可以看出，聲發射技術對于4130X鋼拉伸斷裂失效過程的損傷演化具有較高的敏感性，能夠得到裂紋擴展時的特征信號，結合DIC的SD參量可以提高對損傷階段的表征準確度，也能夠進一步使不同損傷階段聲發射信號的特征提取更加精確，因此綜合使用聲發射特征參數變化和應變標準差SD來表征4130X鋼拉伸斷裂過程的損傷演化規律，具有較好的實際應用效果[12]。

3 結語

開展了兩種試件的4130X鋼拉伸加載DIC和聲發射監測試驗，提出了基于DIC技術的表面應變不均勻狀態表征參量SD，該參量能夠有效表征4130X鋼的拉伸損傷狀態，SD數值越大，試件表面的局部應變集中度越高，損傷程度越高。同時結合聲發射監測技術得到了兩種類型試件拉伸斷裂過程不同損傷階段的聲發射信號分布及強度變化規律，與SD分析結果相聯立，得到了彈性變形階段、塑性變形階段、裂紋擴展階段的信號幅值。

由此可以看出，以SD參量為依據的材料拉伸斷裂過程損傷DIC監測，能準確反映試件的損傷變化規律，再結合聲發射的時域經歷特征參數分析，可以較好地識別和評價4130X鋼拉伸斷裂的損傷演化規律。