声发射技术在金属结构疲劳损伤中的应用研究进展

缪长青，梅明星，田洪金，王　蔓

(1.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 江苏 南京 210096；2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096； 3.中交地产有限公司， 北京 100000)

声发射技术在金属结构疲劳损伤中的应用研究进展

缪长青1，2，梅明星2，田洪金3，王蔓2

(1.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 江苏 南京 210096；2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096； 3.中交地产有限公司， 北京 100000)

摘要：声发射技术作为一种无损检测技术，在金属结构的疲劳探伤中得到了广泛的关注和研究。介绍了声发射的基本原理，分析了声发射参数与疲劳力学参数的关系，总结了声发射技术在金属疲劳研究中所取得的成果及在工程中的应用情况，最后展望了声发射技术在金属结构疲劳损伤检测领域的应用前景。

关键词：声发射；无损检测；疲劳损伤；金属结构

金属结构服役时，众所周知，外部复杂环境对其结构有着重要的影响。使用年限的增长，尤其是疲劳作用对结构的损伤不容忽视。有研究表明[1-3]，金属的疲劳断裂是金属结构失效的主要形式，占到失效结构的90%以上。在交变荷载作用下，金属的薄弱部位发生局部破断，裂纹的存在直接影响了金属的连续性。并且在裂纹端部引起应力集中，进一步促使结构在较低的应力条件下发生裂纹扩展，随着裂纹的扩展最终发生断裂和失效。

在航空航天、电力等工业领域中金属的疲劳破坏将带来很多不便，甚至是非常严重的后果。因此对服役后材料疲劳进行监测，以实施有效的补救措施就显得尤为重要。声发射作为一种动态、无损检测技术在金属疲劳检测研究中得到广泛的应用。通过声发射设备对疲劳结构进行监测，得到结构疲劳过程中声发射特征参数，用这些参数能够很好的反映出金属内部缺陷的开展情况。本文介绍了声发射检测原理；概述了声发射源的产生机制；研究了疲劳过程中的金属断裂力学特性与声发射的关系；评述了在工程结构疲 劳损伤检测中声发射技术的运用状况，并展望了声发射技术在健康检测领域的研究和应用前景。

1声发射概述

1.1　声发射原理

声发射材料在外部作用下，引起局部能量释放而产生的应力波。集中的材料能量导致材料局部位在微观上屈服和变形。过多的局部能量通过开裂、滑移、位错等方式发散出来，发散出来的能量一部分以应力波的形式传播。一般材料的声发射信号强度较弱，必须要借助一定的仪器才能检测出来。图1为声发射仪探测、分析应力波的基本原理图。

图1声发射基本原理图

1.2　声发射主要特征参数

声发射的特征参数是将超过阈值的信号提取为信号参数。图2为标准声发射信号参数定义[2]。表1给出了常见的声发射特征参数含义和用途。

图2　声发射参数

1.3　结构疲劳损伤的声发射源产生机制

结构失效的过程包括从弹性变形和塑性变形开始直至裂纹的发生、持续和断裂。裂纹扩展常发生在单调上升加载过程、应力腐蚀过程或循环加载过程中。通过声发射技术对疲劳裂纹进行检测必须清楚材料力学特征的变化与产生声发射的来源和机制。Roberts T M[4]通过对材料疲劳断裂产生的声发射源进行研究发现屈服应力处的微裂纹成核、晶粒断裂、位错导致晶粒屈服发生的塑性变形、裂纹尖端塑性变形和裂纹扩展等过程有声发射信号的产生，其中产生声发射的主要因素有：裂纹的形成和扩展、脆性断裂、位错运动、塑性变形与疲劳断裂，除此之外的AE源及产生机制如表2所示。

表2　部分AE源及产生机制

2声发射参数与材料损伤关系

2.1　断裂力学与声发射关系研究

材料疲劳产生的声发射信号受到多种因素的共同影响变得非常复杂，因此对疲劳裂纹的声发射机理研究受到学者的关注。了解变形断裂过程中产生的声发射现象和行为能够阐明断裂机理，为从断裂力学上解释声发射源提供基础。很多学者对裂纹尖端变形与声发射特征参数的关系进行丰富研究。

η=AKt

(1)

t的理论值为4，根据不同的材料t的实验值从1～11变化，为进一步研究应力强度与声发射参数的关系奠定了基础。

Palmer[7]提出一个采用线弹性断裂力学进行分析与塑性区尺寸有关的声发射模型，假设裂纹塑性区尺寸远小于试件尺寸，通过观察试件缺口裂纹尖端的应力，发现AE计数的总值随塑性区尺寸的变大而增大，这说明声发射源离材料的弹塑性边界较近。通过对延展性/脆性材料的AE源研究[6,8]，疲劳断裂过程中，主要在裂纹扩展和尖端塑性区变形、断裂过程中产生声发射信号。研究[6,8,14]结果发现AE计数率dη/dN由裂纹扩展释放能量产生的计数率和断裂事件产生的计数率组成。

2.2　损伤力学与声发射关系研究

材料损伤发展的过程中有声发射现象的产生，对材料损伤进行研究能够清晰地了解声发射现象与疲劳断裂过程之间的关系。Bassim M.N和Houssny-Eman M[15-16]用声发射技术研究了低周疲劳中高强度铝合金疲劳，在损伤的过程中产生了丰富的声发射信号，高应力的循环对材料具有较大的损伤，其失效也是在高应力循环较少之后发生。通过实验可以得到，声发射总计数Ση与应力幅值变化有关，是循环次数的函数。可以用采集到的循环数Nb与失效循环数Nf比来定义损伤变量，即

Ση=β(Nb/Nf)m

(2)

式中：β与m是材料常数和与测试过程中的有关常数。Bekovits和Fang[17-18]发现疲劳裂纹扩展过程中，裂纹尖端应力集中区的夹杂物或γ′相粒子断裂是AE源之一，声发射计数及总计数与裂纹扩展状态、应力和寿命有关。Bekovits等在材料损失的不可逆等特点的基础上，建立了声发射活动的统计学模型。对疲劳的全过程进行声发射测试，并对采集到的AE总计数与循环数曲线进行分析，通过分析可将疲劳损伤分为初始塑性和循环软化、裂纹孵化和微孔连接、裂纹扩展三个阶段。

3声发射在工程疲劳中的应用研究

声发射技术研究的历史中，声发射技术的研究对象延伸到压力容器、航空、运输工具、桥梁等领域。并在实际工业中得到运用，利用声发射技术可以对结构的局部塑性变形等早期破坏进行监控、预警。国内外众多研究者运用声发射技术在各领域做了很多的研究。李光海等[14]用声发射对高频疲劳下的金属进行监测，测量裂纹在不同阶段的发展，得到裂纹扩展长度随循环时间的变化和声发射总能量循环次数的变化，如图3所示。

图3高频疲劳过程中的声发射监测

从图3中可以看出能量与循环次数得到的关系与人工观测的裂纹扩展有相同的变化规律，且比其更加灵敏。用声发射能对材料内部微小裂纹的变化进行监测。建立了声发射能量与疲劳循环次数及应力强度因子间的关系式

(3)

依据该公式在工程上可以对结构的疲劳裂纹扩展和疲劳剩余寿命进行预测。Robert T M等[4]提出了AE振铃计数与应力强度因子之间的关系。Heiple C R和Carpenter S H等[19-20]对金属材料损伤及断裂过程进行了长期研究，发现AE信号振铃计数能够很好的反应材料性能变化，同时鉴于AE信号的能量值受耦合状况等条件的影响较小，也可使用AE信号能量值的变化情况反应疲劳裂纹的扩展规律。

冯剑飞、耿荣生等[21-23]在飞机水平尾翼疲劳试验中，用声发射技术对模拟噪声和裂纹源进行测试，确立了声发射信号数据的预处理原则，为AE信号的处理提供依据。通过对含有更多疲劳信息的AE信号波形分析，大致确定了半轴初始疲劳损伤时间和对称的疲劳损伤源。文献[22]用空间滤波和幅值滤波作为辅助的参数趋势分析方法，对监测区域裂纹萌生扩展的位置和时间进行分析，成功预报了某型飞机右外翼某螺栓孔周边裂纹的萌生和扩展，证明了该方法在预测裂纹萌生和扩展上的实用性。徐新[24]针对噪声对设备影响和定位的不准确，依据噪声和有效信号的差别，提出了空间滤波、带通滤波、图解分析滤波等方法抑制噪声。

王向红等[25]利用声发射技术对水轮机叶片裂纹产生、发展过程进行监测来研究疲劳裂纹扩展速率。发现用持续时间和能量关系能够定性的描述叶片疲劳。通过疲劳裂纹扩展过程的AE计数率、裂纹扩展率、能量变化率同应力强度因子间的关系，推测叶片的疲劳寿命，解决了工程结构中应力强度因子测量困难的问题。王丹等[26]对金属铆接构件的疲劳损伤进行声发射特征参数分析，证明用关联分析和趋势分析法可以反映构件的疲劳损伤过程，用声发射参数能够鉴别疲劳损伤的萌生、稳定、扩展等过程，并在线提供疲劳损伤过程的时序特征。

缪龙秀等[27]发现车轴的疲劳裂纹扩展与声发射的撞击计数成一定的比例关系。当裂纹的扩展速率达5.0×10-5mm/每个循环，声发射率稳定在很高的水平。Bassim[28]采用声发射技术监测含有夹杂物的铁路钢发现微裂纹对裂纹的发展有直接的影响，而夹杂物前端变形区微裂纹的开裂、形成及夹杂物破损的扩展和界面表面的脱散等都与微裂纹的产生机制有关。

Blarichette[14,29]通过高倍显微镜观察拉伸和断裂强度测试发现，在裂纹尖端区外围产生了较多的声发射现象。因为声发射技术对钢结构裂纹损伤的强度、活度有很大的敏感性[30]，则声发射技术可用来检测工程中钢的延展性裂纹的开裂、扩展。

实际工程结构在焊缝位置易发生疲劳损伤破坏，因此，监测焊缝处的损伤发展就显得格外重要。声发射技术作为被动、无损检测技术，在焊缝裂纹监测中受到广泛应用。邱颖、王怡之等[31-32]用声发射技术对不同材质和不同拘束条件下的焊接裂纹进行频谱分析，发现焊接裂纹波形密集程度与裂纹源的形成有直接关系，而同裂纹的大小关系不大。焊接拘束越大，氢致焊接裂纹的声发射信号峰值信号持续时间越长，也越集中。文献中的研究结果也印证了断裂力学中“应力作用下的氢致裂纹扩展具有非连续性特征”假说。张炜、冷建兴等[33]用声发射技术推断出焊接的冷却过程中会继续产生声发射信号、裂纹会继续扩展，证明了用声发射系统能够判断低合金高轻度钢在冷却过程中是否有裂纹的产生、扩展。

李东生等[34-36]用声发射技术对多龄期桥梁拉索进行监测，尤其是在对采集到的信号处理方面进行了深入的研究，采用合适的信号处理方法去除噪声、分析信号，准确、快速的揭示了拉索的损伤状况、判定声发射源的位置。并用声发射能量的变化定义钢绞线失效损伤，建立了钢绞线拉伸损伤演化方程

(4)

该模型不但能够预测钢绞线损伤变化，还能定量损伤过程，动态的评价构件的损伤程度。

4展望

声发射技术在疲劳领域的研究比较多，也在各工程的应用中取得了较多成果。但是，声发射技术疲劳损伤特性理论研究滞后于工程应用研究，在声发射活动损伤特性分析和声发射源识别方面并不完善。因此，笔者认为声发射技术在工程疲劳中仍需要做一些研究，包括：

(1) 用损伤力学理论来研究材料疲劳损伤特性，了解AE源机制，发展力学参数与声发射参数关系对工程应用的研究；

(2) 发射在工程疲劳中的研究多为定性的分析，不能在定量上表征工程的疲劳损伤，因此，用声发射信号对损伤进行定量分析在工程疲劳中有很大的研究前景；

(3) 工程结构的声发射在线监测应该作为健康监测的重要研究方向；

(4) 由于在线运行的工程结构在多数情况下不能对声发射源进行无损检测方法的复检，因此应加大对声发射源性质的识别技术和危险程度确定方法的研究和完善；

(5) 影响结构疲劳的因素很多，不同因素都会对结构造成不同的疲劳损伤，目前多采用不同的参数来表达不同影响因素的作用，这种研究方法增大了结构疲劳损伤模型的复杂性。通过声发射技术找到一个适当的损伤变量，为简化结构疲劳损伤模型提供了可能，因此，在这方面应加大研究力度。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.005

收稿日期：2015-03-01修稿日期：2015-04-04

基金项目：国家自然基金(51078080)；航空科学基金(20130969010)；江苏省交通厅重大项目(2011Y03-6)

作者简介：缪长青(1963—)，男，江苏泰州人，博士，教授，博士生导师，主要从事工程结构健康监测与评估、结构疲劳断裂与损伤力学等方面的工作。 E-mail：chqmiao@163.com 通讯作者：梅明星(1988—)，男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为结构健康监测与评估。 E-mail：meihua198812@163.com

中图分类号：TU39

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0023—05

Recent Research Progress of the Application of Acoustic Emission Technology in the Detection of Metal Structure Fatigue Damage

MIAO Changqing1,2, MEI Mingxing2, TIAN Hongjin3, WANG Man2

(1.KeyLaboratoryofConcreteandPrestressedConcreteStructure,MinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu210096,China; 2.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu210096,China;3.CCCCRealEstateCompanyLimited,Beijing100000,China)

Abstract：The technology of acoustic emission as an effective non-destructive testing method for metal structures has attracted wide attention and research. Here, the basic principles of acoustic emission were introduced, the relationship between acoustic emission parameters and mechanical parameters of fatigue were analyzed. The research results and the application of acoustic emission in the metal fatigue damage were reviewed. At last, prospects of acoustic emission technology in the field of fatigue damage for metal structure were presented.

Keywords:acoustic emission; non-destructive testing; fatigue damage; metal structure