桥式起重机Q345B 钢箱形梁母材疲劳损伤的声发射双谱分析

杨浩宇 骆红云 陈国伟 李福森 贾华龙

0 引言

桥式起重机（以下简称桥机）械设备广泛应用于国防军工、机械制造、电力、能源、港口、石油化工、以及冶金等行业，其损伤状态和安全可靠生产直接关系到人民的生命财产安全、国民经济的快速稳定发展以及社会的安定。桥机的主要承重部位是箱形主梁，其金属结构材料为Q345B 钢，该位置也是桥机损伤缺陷易发生位置，故只有对其进行科学的损伤状态分析才能保证设备的安全可靠运行。

以声发射波形信号数据为基础的双谱估计方法可获得信号的谱特征，它具有较高的信号分辨能力、信号分类以及信号模式识别能力等特点，近年来在声发射信号分析中得到了越来越多的研究。谱估计分为经典谱分析和现代谱分析两大类，采用双谱估计方法可将波形信号中与损伤有关的信息从噪声、干扰信号和有效信号混杂的信号等从中分离出来，为研究材料疲劳损伤机制提供重要线索。

本文通过声发射技术对桥机Q345B 钢箱形梁及其金属结构材料小试样进行疲劳实验对比研究分析，实现了对Q345B 钢箱形梁及其金属结构材料小试样的疲劳损伤状态的分析研究，验证了实验室小试样声发射监测的一些基本规律、方法可以用于工程上桥机箱形梁的在线声发射监测，从而为其提供理论基础。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料及试样制备

本实验研究的材料为Q345B 低合金钢，其热处理状态为供货状态，具体化学成分和常规力学性能如表1所示。通过BX51M 光学显微镜进行光学金相观察，材料具有典型的铁素体+ 珠光体组织，如图1 所示。

图1 Q345B 钢热轧态微观组织光学照片

实验所用的桥机Q345B 钢箱形梁采用箱形结构，其具体的三维立体图如图2 所示。在正对压头下面主腹板处预制一个30 mm 的裂缝，具体平面示意图如图3所示。

图2 桥机箱形梁三维图

图3 桥机箱形梁缺陷设置及探头布置平面示意图

Q345B 钢实验室小试样所采用单边缺口4 点弯试样，参照金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法国家标准GB/T 6398 － 2000 设计，以避免试样中间位置的压头加载噪声，在所有试样中心位置由线切割方法制备凹槽及缺口，试样尺寸如图4 所示。

图4 实验室小试样疲劳试样尺寸图及探头位置

1.2 实验仪器及设置

桥机箱形梁动载实验采用正弦循环加载方式，平均载荷为50 kN，幅度为55 kN，加载频率为2 Hz。Q345B 钢实验室小试样疲劳裂纹扩展试验在50 kNInstron 液压伺服疲劳实验机上进行。实验室小试样以正弦循环载荷加载，最大载荷为20 kN，加载频率f ＝ 8Hz，加载应力比R ＝ 0.1。

1.3 声发射实验设置

本试验利用美国PAC 公司的AEwin v2.19 系统进行声发射检测。数据采集卡采用PAC 公司生产的PCIDSP系列，每块采集卡有4 个通道，采用18 位A/D，每个通道信号采样率为50 Hz，且处于40 100 dB 间的声发射信号幅值误差小于2%。采用前置放大器有3种不同增益可选：20 dB、40 dB、60 dB。根据GB/T18182 － 2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》中建议，对一般的金属结构材料宜用40 dB 增益。本试验采用PAC 公司的CZ 系列R15 窄频声发射传感器，共振频率为150 kHz，响应频率为100 400kHz。按照GB/T 32544 － 2016《桥式与门式起重机金属结构声发射检测及结果评定方法》的要求，在试验前先对声发射系统进行系统校准和验证 。声发射硬件设置为采样频率1 MHz，峰值定义时间1 000 μs，撞击定义时间2 000 μs，撞击锁定时间20000 μs。幅值门槛40 dB，能量门槛为1 V·microsec。

2 实验结果与分析

2.1 Q345B 钢疲劳断裂过程的声发射表征

图5 显示了Q345B 钢累积声发射计数与疲劳循环周次经过归一化处理后的关系，归一化处理的方法是在某一循环周次下的计数或周次除以总计数或总周次求得。图5a 中黑色和红色曲线表示桥机Q345B 钢箱形梁归一化累积声发射计数与疲劳循环周次之间的关系。桥机箱形梁归一化累积声发射计数与疲劳循环周次之间的关系图呈现3 个阶段：第1 阶段，在实验刚开始，声发射计数会有一个小幅度的迅速上升；第2 阶段，声发射计数增长率降低，声发射计数保持基本恒定的计数率缓慢的增长；第3 阶段，声发射计数率比第2 阶段出现一定程度的增长。

图5b 中蓝色和绿色曲线，即lab1、lab2 曲线可以看到实验室小试样的2 个重复试样均呈现3 个典型阶段：第1 阶段，在试验开始短时间内声发射计数迅速增加；第2 阶段，声发射计数增长速率明显降低并进入平台区域，并在占80% 疲劳寿命的时间里持续保持基本恒定的计数率；第3 阶段，声发射计数率再次迅速增加直到试验结束。

（a）桥机箱形梁 （b）实验室小试样

图5 归一化声发射计数与疲劳循环周次关系

实验室小试样与桥机箱形梁的归一化累积声发射计数与疲劳循环周次之间的关系图对比可以发现：1）二者在整个疲劳实验过程中都可以划分为分为3 个阶段；2）实验室小试样各个阶段累计计数增长率转变明显，但箱形梁尤其第1 阶段向第2 阶段转变累计计数增长率没有特别大的变化；3）实验室小试样第3 阶段声发射计数率迅速增加，对应的是疲劳裂纹失稳扩展；桥机箱形梁第3 阶段声发射计数率与小试样相比小很多。上述实验结果表明，虽然箱形梁比小试样更早进入失稳扩展，但如若小试样进入失稳阶段，其失稳速率要大于箱形梁。究其原因是箱形梁尺寸过于庞大，其疲劳裂纹扩展不是沿着同一个方向进行的。所以，当箱形梁进入疲劳失稳扩展阶段，其能量释放反而更快，导致其裂纹扩展速率小于沿单一方向扩展的实验室小试样。通过声发射技术可以检测出箱形梁疲劳测试过程中疲劳扩展第2 阶段与第3 阶段的拐点（安全状态与非安全状态的拐点），即可作为安全预警点发出安全警告。

2.2 Q345B 钢疲劳断裂时声发射信号的双谱分析

在整个疲劳断裂过程中，疲劳裂纹扩展过程的第2 阶段与第3 阶段占整个疲劳过程的大部分时间，且第2 阶段到第3 阶段的转变正对应材料由安全状态转变为危险状态。所以，本文主要研究了Q345B 钢箱形梁和Q345B 钢实验室小试样第2 阶段和第3 阶段声发射信号规律。不同试样各阶段典型信号的波形、功率谱、归一化双谱值如图6 图9 所示。

（a）第2 阶段 （b）第3 阶段

图6 箱形梁疲劳各阶段典型信号波形和功率谱

（a）第2 阶段 （b）第3 阶段

图7 实验室小样疲劳各阶段波形和功率谱

（a）第2 阶段 （b）第3 阶段

图8 箱形梁疲劳各阶段典型信号归一化双谱值

通过图6 图9，对比Q345B 钢箱形梁疲劳不同阶段的波形、功率谱、归一化双谱值。图6 中的A 信号取自图5a 中归一化疲劳循环周次0.2 时的声发射信号；B 信号取自图5a 中归一化疲劳循环周次0.4 时的声发射信号；C 信号取自图5a 中归一化疲劳循环周次0.93 时的声发射信号。疲劳裂纹扩展第2 阶段即稳定扩展阶段波形呈现出连续型信号A 和B；功率谱曲线呈现单峰，且峰值频率范围在200 300 kHz 之间，归一化双谱图中也呈现单峰。疲劳裂纹扩展第3 阶段即失稳扩展阶段波形呈现出突发型信号，功率谱曲线呈现很明显的多峰，归一化双谱图中也表现出多峰特征。Q345B 钢箱形梁疲劳不同阶段的声发射信号规律是疲劳断裂损伤状态引起的。

（a）第2 阶段 （b）第3 阶段

图9 实验室小试样疲劳各阶段典型信号归一化双谱值

由图7 可知，对比Q345B 钢实验室小试样疲劳不同阶段的波形、功率谱、归一化双谱值。图7 中的A 信号取自图5b 中归一化疲劳循环周次0.2 时的声发射信号；B 信号取自图5b 中归一化疲劳循环周次0.4 时的声发射信号；C 信号取自图5b 中归一化疲劳循环周次0.93时的声发射信号。疲劳裂纹扩展第2 阶段即稳定扩展阶段波形呈现出连续型以及综合型信号；功率谱曲线呈现单峰，且峰值频率范围在200 300 kHz 之间，归一化双谱图中呈现出多峰状态。疲劳裂纹扩展第3 阶段即失稳扩展阶段波形呈现出突发型信号，功率谱曲线呈现多峰，归一化双谱图中也表现出多峰特征，且第3 阶段的归一化双谱图峰的数量要大于第2 阶段归一化双谱图多峰的数量。

对比分析Q345B 钢箱形梁和Q345B 钢实验室小试样疲劳不同阶段的波形、功率谱、归一化双谱图，发现二者大部分是相似的，疲劳扩展第2 阶段波形都是连续型信号，且功率谱图为单峰，峰值频率范围在200 300 kHz 之间。疲劳扩展第3 阶段波形都是突发型信号，功率谱曲线呈现多峰。二者的不同主要集中在归一化双谱图上，箱形梁疲劳扩展第2 阶段是单峰，疲劳扩展第3 阶段是多峰；而实验室小试样疲劳扩展第2阶段的归一化双谱图为双峰，疲劳扩展第3 阶段仍然是多峰。这是由于箱形梁疲劳试验过程中，箱形梁尺寸过于庞大，其疲劳裂纹扩展不是沿着同一个方向进行的。所以，当箱形梁进入疲劳稳定扩展阶段，其能量释放反而更快，导致其裂纹扩展程度小于沿单一方向扩展的实验室小试样。因此，在疲劳裂纹扩展第2 阶段受损较轻，归一化双谱图为单峰；相反地，实验室小试样由于尺寸较小，其疲劳试样受单向力，在疲劳裂纹扩展第2 阶段受损严重，归一化双谱图为双峰。疲劳裂纹扩展第3 阶段2 种试样都是最终疲劳断裂，受损都很严重，归一化双谱图都为多峰。

综上所述，基于Q345B 箱形梁与Q345B 实验室小试样的声发射信号波形、频率具有相近的特征，由此推测Q345B 箱形梁与Q345B 实验室小试样的疲劳断裂损伤状态是相同的。

2.3 Q345B 钢疲劳断裂损伤状态的声发射监测

根据断裂力学理论，实验室小试样疲劳试验过程中的应力强度因子幅ΔK 是疲劳裂纹扩展速率da /dN 的决定因素。da /dN 与ΔK 之间的关系可以用Paris-Erdogan公式描述

式中：n 、m 分别为材料常数，对于钢材料，指数m 大致为2 4。

由于桥机箱形梁特殊的箱形结构，其应力强度因子幅ΔK 与裂纹处应力幅S r 有关，所以ΔK 的计算公式为

实验室小试样；（b）箱形梁

Q345B 钢桥机箱形梁和实验室小试样的第一阶段的声发射源与微裂纹萌生有关，这与试样大小、形状无关。对于2 种试样试验开始阶段，即裂纹萌生阶段会有应力集中的现象。大量声发射信号是由裂纹源的萌生以及缺口尖端的强烈塑性变形造成的，这就解释了Q345B 钢归一化声发射计数与疲劳循环周次关系图中，声发射累积计数在第一阶段迅速增长。另外，试验刚开始阶段的高声发射信号量，还可能是由于机器压头处存在有一定的摩擦噪声信号引起的。

实验室小试样；（b）箱形梁

图10 声发射累积计数以及裂纹扩展速率与ΔK 关系

分析疲劳裂纹扩展的第2 阶段和第3 阶段，及裂纹稳定扩展阶段以及裂纹失稳扩展阶段。这2 个阶段的声发射信号主要来自于裂纹扩展中的微断裂事件。在线弹性断裂力学中，一般将稳定和失稳疲劳裂纹扩展界定为da /dN 与ΔK 对数关系曲线上斜率不同的2 个阶段。图10a 所示的实验室小试样声发射累积计数以及裂纹扩展速率与ΔK 关系曲线上，当声发射累计计数与ΔK 关系曲线在ΔK ＝ 67 MPa·m1/2 发生第2 阶段到第3 阶段转变时，da /dN 与ΔK 的关系曲线却依然保持对数线性关系，直到ΔK ＝ 74 MPa·m1/2 左右时斜率发生较大的变化，这个表明了线弹性断裂力学中稳定扩展到失稳扩展阶段的变化。图10b 所示的起重机箱形梁声发射累积计数以及裂纹扩展速率与ΔK 关系曲线上，当声发射累计计数与ΔK 关系曲线在ΔK ＝ 60 MPa·m1/2 发生第2 阶段到第3 阶段转变时，da /dN 与ΔK 的关系曲线却依然保持对数线性关系，直到ΔK ＝ 84 MPa·m1/2 左右时才发生斜率的剧烈变化。因此，说明无论是实验室小试样还是大型起重机箱形梁声发射所判定的阶段转变提前于传统线弹性断裂力学意义上的失稳扩展。

3 结论

通过对Q345B 钢桥机箱形梁以及Q345B 钢实验室小试样疲劳断裂过程中声发射监测的对比研究，发现2种试样在声发射信号、疲劳断裂过程以及疲劳各阶段的疲劳断裂损伤状态是相同的。因此，在工程上进行桥机箱形梁进行声发射监测时，可利用实验室小试样声发射监测的一些基本规律、方法进行研究，为桥机箱形梁在线监测提供了重要的理论基础。实验室小试样与箱形梁疲劳断裂过程都存在3 个阶段，且声发射信号也存在3 个阶段。另外，二者的声发射累计计数与ΔK 关系曲线第2 阶段到第3 阶段转变都提前于da /dN-ΔK 曲线第2 阶段到第3 阶段的转变。这证明利用声发射手段监测实验室小试样和桥机箱形梁的疲劳损伤具有重要的作用，经过安全评估后，可提前预测试样是否进入失稳阶段，并进行安全预警。

来源：起重运输机械