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声发射技术在工程结构疲劳损伤监测中的应用 声发射技术在工程结构疲劳损伤监测中的应用和展望 王慧晶 , 林 哲 , 赵德有 (大连理工大学 船舶工程系 ,大连 116023 ) 摘 要 疲劳失效是工程结构和材料科学研究领域都十分关注的问题 。研究疲劳损伤机制对于解决工程结构疲 劳失效问题是很重要的 。应用断裂力学理论研究工程结构的疲劳问题已取得了显著的成果 ,随着声发射技术研究的深 入 ,将二者结合起来必将成为疲劳问题研究的更有效方法之一 。阐述了国内外采用声发射技术对工程结构疲劳裂纹损伤 监测中的声发射源机制状况的研究 ,展望了声发射技术结合断裂力学在该领域的应用前景 。 关键词 : 疲劳裂纹 ,声发射技术 ,声发射源机制 中图分类号 : TG115. 28 文献标识码 : A 声发射技 术 [ 7 ] 具 有 常 规 探 伤 方 法 所 不 具 备 的 特 点 :第一 ,它是一种动态无损检测方法 , 可以长期连续 地在役监测工程结构主要部位缺陷的发展变化 , 从而 及时提出安全警报对其实施有效的补救措施 ; 第二 ,它 是一种“被动 ”探伤技术 ,即无需发射探测信号 ,而是利 用传感器监听结构内部发出的声波信息 , 对服役的工 程结构几乎不会造成什么影响和妨碍 。 经过多年的发展与完善 , 声发射技术已经成为无 损评估技术和材料研究的有效工具 。它通过发展声发 射信号参数和断裂力学参数之间的关系 , 能够初步识 别裂纹的声发射源机制 ,对工程应用和科学研究的意 义都是非常深远的 。本文就目前国内外应用声发射技 术对工程结构进行疲劳裂纹损伤监测问题及裂纹声发 射源机制的研究状况等方面进行了综合评述 , 并对声 发射技术 结 合 断 裂 力 学 在 该 领 域 的 应 用 前 景 进 行 了 展望 。 金属结构的疲劳失效是众所周知的现象 , 历史上 曾经发生过很多因疲劳而导致工程结构失效问题 , 包 括大型机器 、运输工具 、焊接结构等 。金属结构的疲劳 失效还可能引发卫星失事 、海洋平台沉没 、压力容器爆 炸或桥梁坍塌等灾难性事故 。研究发现 , 破坏原因是 由于内在裂纹的扩展而引起结构的破坏 。在这一现象 中 ,循环加载 (应力或应变 )是导致微裂纹成核 、增长直 至结构最终完全失效的原因 。确认不同工况下的金属 疲劳损伤 机 制 , 对 于 解 决 疲 劳 失 效 问 题 是 很 重 要 的 。 研究工作者通过广泛的研究和实践获得了结构疲劳的 很多知识 ,并提出了相应的材料疲劳机制 [ 1 - 5 ] 。 符合设计要求的承载结构仍可能出现疲劳裂纹 。 这是由于结构的超负荷服役 、不合格的产品规范或漏 检等 ,以及各种探伤方法的灵敏度限制 、不可避免的偶 然损伤 、恶劣的服役环境等因素造成的 。为了早期发 现金属结构疲劳裂纹 、预防疲劳失效事故的发生 ,需要 把工程结构与定期保养 、检测和无损检测技术 [ 6 ] 联系 起来 。 声发射 (A cou stic Em ission, 简 称 A E ) 又 称 应 力 波 发射 ,是指材料或物体内部因内部应力超过屈服极限 σs而进入 不 可 逆 的 塑 性 变 形 阶 段 或 有 裂 纹 形 成 和 扩 展 、断裂时快速释放出应变能而产生瞬态应力波的现 象 。声发射技术是用仪器检测 、记录 、分析声发射信号 并利用声发射信号推断声发射源的技术 , 它是检测材 料内微观过程 (即裂纹开裂 、扩展 )的非常灵敏的技术 。 因为声发射信号来自材料本身的缺陷 , 采用可以测试 和声源定位的 A E技术不必对整个构件进行扫描 ,能用 远程传感器探测到损伤 ,可连续监视缺陷的发展变化 , 并及时提出安全预报而不影响构件的正常使用 , 这是 其他无损检测方法难以达到的 。 1 工程结构疲劳裂纹的声发射源机制的研究 111 工程结构疲劳损伤参数与声发射信号参数之间 的关系 不同应力共同作用下的裂纹扩展率 、含裂纹结构 的几何条件和裂纹长度以及影响它们的物理机制是科 学研究和工程应用领域都关心的问题 。 为了保证 在 失 效 前 就 能 检 测 到 裂 纹 的 产 生 和 扩 展 ,需要确定裂纹扩展率 。很多的研究表明裂纹扩展 率与应力强度因子有函数关系 ,运用关系式 da / dn = fR (ΔK)可将裂纹扩展曲线划分为三个区间 : 第 Ⅰ区间 , 近门槛区 ; 第 Ⅱ区间 , Pa ris稳定扩展区 ;第 Ⅲ区间 ,非稳 定裂纹扩展区 。 在 Pa ris 稳 定 扩 展 区 , 裂 纹 扩 展 曲 线 符 合 Pa ris 公式 [ 8 ] 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (项目编号) 收稿日期 : 2006 - 08 - 1