高温下的声发射信号研究[1]

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高温下的声发射信号探讨[1] - 代写电气工程论文
 
选用我国压力容器制造中常用的厚度为20mm的16MnR钢板制作圆形拉伸试样,在不同温度下进行拉伸试验,分析不同温度下圆形拉伸试样在不同拉伸阶段的声发射信号特点,探讨在不同温度下材料的声发射信号特性,高温下拉伸试样材料的成分同低温拉伸试样相同。
 
5.1 试验装置
 
高温试验中用的圆形试样是由厚度为20mm的16MnR钢板加工制作而成,试样两端加工出螺纹,通过螺帽与试验机的夹具连接。试样及连接方式如图6.1-6.2 所示。
 
 
 
图5.1 试样示意图
 
Figure 5.1 Sample
 
 
 
图5.2 试样实物图
 
Figure 5.2 Sample
 
图5.3 高温试验的波导杆连接 图5.4 MTS-810试验机的温箱
 
Fig. 5.3 Waveguide connection in high Fig. 5.4 MTS-810 temperature box
 
temperature experiment
 
试验在MTS-810型材料试验机上进行,拉伸试验过程的加载速率为100N/S,由于试验温度为高温环境,声发射传感器需通过波导杆接收声发射信号,试验中波导杆的规格及连接方式见图5.3,图5.4为MTS-810材料试验机的温箱。
 
表5.1 拉伸试样编号
 
Table5.2 Number of tensile sample
 
温度(℃)75125150175200
 
试样编号LSPW01-01 LSPW01-02LSP05-01 LSP05-02LSP051-01
 
LSP051-02LSP06-01
 
LSP06-02LSP06-01
 
LSP06-02
 
温度(℃)225250270300350
 
试样编号LSP07-01
 
LSP07-02LSP07-03
 
LSP07-04LSP08-01
 
LSP08-02LSP08-03
 
LSP08-04LSP09-01
 
LSP09-02
 
温度(℃)375400450475670
 
试样编号LSP10-01
 
LSP10-02LSP10-03
 
LSP10-04LSP11-01 LSP11-02LSP12-01 LSP12-02LSP16-01 LSP16-02
 
5.2试验方法
 
5.2.1降噪
 
同低温拉伸试验相同,高温拉伸过程中产生的噪声有:夹具与拉伸试样夹紧过程中的摩擦噪声、试验过程材料试验机及温箱工作过程产生的电子噪声等。试验中采取以下措施进行降噪处理:
 
(1)试验开始前,预加一定的载荷,以消除夹具与试样产生的摩擦噪声。
 
(2)对波导杆与温箱接触的部位采用橡胶垫进行衬垫,减少温箱工作过程震动噪声的传入,
 
通过采取措施后的噪声采集,说明以上措施显著地降低了噪声的干扰。
 
5.3.2试验步骤
 
(1)将拉伸试样安装到拉伸试样机上,用夹具固定好,对试样进行标定。
 
(2)在波导杆的两端布置好传感器,传感器与波导杆通过真空脂耦合剂充分耦合。
 
(3)采用日本产铅芯进行断铅标定,测试声发射检测系统的灵敏性,尤其是2个传感器的灵敏度。
 
(4)背景噪声测量,根据背景噪声值进行门槛值设定。
 
(5)打开拉伸试验机系统,开始进行拉伸试验,拉伸过程以100N/秒的加载速率进行连续拉伸,直至断裂。
 
(6)在75℃、125℃、150℃、175℃、200℃、225℃、250℃、270℃、300℃、350℃、375℃、400℃、450℃、475℃及670℃下依次进行拉伸,每一温度下均进行2个试样的完整拉伸过程,试验中数据的来源于试验编号为LSPW01-01、LSP05-01、LSP051-01、LSP06-02、LSP06-01 LSP07-01、LSP07-03、LSP08-01、LSP08-03、LSP09-01、LSP10-01、LSP10-03、LSP11-01、LSP12-02、LSP16-01的拉伸试样。
 
5.3 高温下16MnR的声发射特性
 
5.3.1高温下16MnR的拉伸力学性能
 
图6.5和为75~670℃温度下的的拉伸曲线图,由图6.5可以看出,在350℃以下时16MnR钢的抗拉强度随温度的升高而升高,而在350℃以上时抗拉强度又随之而降低。这一变化规律是碳钢、低合金钢及低合金耐热钢中材料的普遍力学性能。拉伸过程中在200℃以下时有着明显的屈服平台,而200℃、225℃、250℃时拉伸在经过屈服后期进入
 
图5.5 75~670℃下拉伸曲线图
 
Fig. 5.5 75~670℃ stress-strain curve
 
形变强化阶段时,曲线呈现锯齿状的变化,这是因为有孪生变形机制的参与,孪生应变的速率超过了试验机夹头的运动速度而导致了局部应力松弛现象,从而使强化过程中多次出现局部失稳状态,而在试验温度达到300℃及以上时,可以看出拉伸曲线已经不存在明显的屈服阶段,这时则采用产生0.2%塑性应变时的应力作为屈服强度σ0.2[103][57],GB150-1998《钢制压力容器(2003年修订)》等国内现行标准规范以及石化等行业一般推荐16MnR钢使用温度上限为400℃左右[104] [16]。 16MnR在400℃以上使用时,钢中的碳化物相会产生石墨化倾向[105] [补充文献],材料的抗拉强度、屈服强度等具有明显的降低,温度越高强度降低的越急剧,这是由于损伤孕育期缩短,损伤加速期加快。因此16MnR可在400℃以上环境下短期运行,而超过一定的温度,则材料造成高温损伤,使材料在较短的时间内形成超温事故工况[106]。(补充文献)
 
5.3.2 16MnR声发射信号特征参数分析
 
图65.6为拉伸试样在75℃~375℃下的拉伸计数与位移、载荷曲线图,从拉伸位移曲线可以明显的区分出屈服点,当温度大于400℃时,拉伸位移曲线较为平滑,且随着温度的增加,屈服和断裂发生的时间变短,与材料高温载荷下的力学性能特征相符,从声发射计数特征看,75℃下16MnR拉伸声发射信号较少,当温度大于125℃时,产生的声发射信号随温度逐渐增多。金属拉伸过程产生的声发射信号受位错运动影响,随着温度的升高,位错可以借助于热激活过程进行滑移,且温度越高,热激活过程越活跃,产生的声信号也越多,拉伸过程的屈服及断裂发生的也越快,反映了图6.6所示的趋势,
 
声发射计数参数在125℃、250℃、300℃、375℃及400℃下结合位移曲线可以明显地判断出拉伸屈服特征,在本次试验其他温度下较难分辨拉伸屈服时的特征,说明用特征参数分析仅能分析部分温度下的拉伸过程特征。
 
表5.5为不同温度下的声发射参数范围。
 
 
图5.6高温下拉伸试样计数、位移、载荷-时间关系
 
表5.5 声发射参数范围
 
计数能量持续时间/μs幅值/dB上升时间/μs
 
75℃1~6981~2731~867948~761~6800
 
125℃1~10041~6441~764538~821~7114
 
175℃1~17911~2191~860748~731~7007
 
200℃1~18841~3361~949942~711~8084
 
250℃1~23891~9511~9999842~671~48210
 
300℃1~8871~6921~724046~841~4743
 
350℃1~1321~3081~675746~691~4434
 
375℃1~5461~6591~999846~801~9955
 
400℃1~39521~3001~1722244~751~3952
 
450℃1~5461~2931~489746~741~2376
 
475℃1~42311~6381~246048~831~1425
 
670℃1~1731~1561~143746~741~424
 
统计不同温度下弹性、屈服及强化阶段声发射事件计数率占总拉伸过程的比例,图6.7为高温下三个阶段的计数率比例图。从图中可以看出,在各个温度下,弹性阶段的声发射信号所占的比例最小,在接近屈服阶段时由于材料内部可动位错增加,出现了较多的声发射信号,表现为屈服阶段的声发射事件比例最大,而在应变硬化阶段,由于位错的交割和钉扎使可动位错减少,声发射活动性则有所降低,这与位错理论是相符合的。虽然在各高温下弹性阶段的声发射计数所占的比例是三个阶段中最少的,但是随着温度的增加弹性阶段的声发射信号计数率的比例在逐步提高,温度高于300℃时比例达到了10%以上,并在425℃时达到最大的比例15.98%,屈服阶段的声发射信号计数率也在425℃时达到最大的比例70.01%,在425℃时弹性阶段下信号的计数多于强化阶段的信号的计数,这说明在此温度下拉伸试样时,弹性阶段下材料内部有着较多的可动的位错,声发射活动性较强,而在强化阶段时受位错交割和钉扎的影响较多,声发射计数较少。
 
图5.7 高温下计数率比例图
 
Figure 6.7 Chedule of proportion of count rate at high temperature
 
5.3.3关联分析
 
对不同温度下拉伸试样的持续时间、能量参数进行关联分析,结果表明,随着温度的升高,拉伸试样的能量逐渐降低,图65.8反映了高温下拉伸试样位错滑移的阻力由于受高温热激活影响,呈减小趋势。高温下的拉伸断裂形式一般为微孔聚集型,微孔聚集初始阶段的声信号呈现高能量、低持续时间的特点,最后失稳快速断裂的过程的特点为高能量、高持续时间(图中圆形区域)。
 
 
图5.8 持续时间-能量关联图
 

[正文图表略.]
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