2.25Cr1Mo0.25V钢是基于2.25Cr1Mo钢加钒改进后的低合金耐热钢,具有强度高、抗氢蚀、抗氢脆等优点,是石油、化工、电力等行业中压力容器和管道等关键部件的制造材料^[1]。尽管2.25Cr1Mo0.25V钢已得到广泛应用,但其在高温和高压环境下的长期稳定性和安全性仍然面临挑战,特别是在经历长时间的负载和热循环后,材料的微观结构可能发生演变,进而影响其宏观力学性能,甚至出现塑性变形、硬化、裂纹乃至断裂等现象。因此,准确评估2.25Cr1Mo0.25V钢在不同加载条件下的拉伸性能和损伤状态,对于保障设备可靠运行、延长设备使用寿命以及避免潜在灾难性故障的发生具有重大意义。

声发射(Acoustic emission,AE)技术作为一项能够实时监测材料内部微观结构变化的先进技术,已被广泛应用于不同材料的损伤监测与评估研究中,如金属材料的疲劳与裂纹扩展、复合材料的界面损伤等^[2-3]。王志刚等^[4]对TA15钛合金试件进行了拉伸损伤的声发射监测试验,结果表明,声发射技术可以监测和表征钛合金损伤演变,并能够明显反映出拉伸试验的不同力学损伤阶段。王博识等^[5]提出了一种基于声发射信号强度和持续时间的关联检测方法,通过对比无缺陷起重机试验与材料拉伸断裂试验得到的声发射信号持续时间与信号强度的参数关联图,发现在相同信号强度条件下,起重机试验的声发射信号持续时间较长,即,声发射信号的持续时间可以作为判断起重机裂纹情况的一个参考指标。ZHAO等^[6]研究了铝合金板拉伸变形过程中声发射特性和损伤演变之间的关系,结果表明,声发射累积计数可用于描述其从空洞成核、生长、聚合直至最终断裂的整个变形和损伤过程。HE等^[7]采用声发射原位监测技术,研究了通过热轧和电弧熔丝增材制造工艺制备的两种低合金钢的疲劳行为,发现声发射活跃度的变化能够为材料内部微裂纹的形成与扩展提供支撑。黄华斌等^[8]利用声发射技术对拉伸载荷下飞机复合材料T形结构的损伤识别开展研究,结果表明,T形结构基体开裂、分层等不同阶段的声发射特征参数具有显著差异,利用声发射参数能够准确预测复合材料T形结构不同损伤阶段的演变。CHAI等^[9]基于信息熵理论提出能够表征波形不规则度的参数声发射熵,可对2.25Cr1Mo0.25V钢单调拉伸加载过程的裂纹萌生点进行准确识别,并以此确定了裂纹萌生断裂韧性值。

文章通过声发射技术开展2.25Cr1Mo0.25V钢的单轴拉伸原位监测试验,充分探究2.25Cr1Mo0.25V钢有缺口和无缺口试件在不同拉伸速率下的多元声发射特征参数的演变规律,包括幅值、能量、声发射熵、质心频率等时域和频域特征参数。基于对多元声发射特征参量的分析,降低在损伤识别中采用单个或有限特征引起的误差,从而更加准确、全面地评价拉伸损伤状态的演变。

1.   试验过程与步骤

文章所用材料2.25Cr1Mo0.25V钢的各元素质量分数如表1所示。为了开展2.25Cr1Mo0.25V钢的单轴拉伸试验,采用长度为56 mm,原始标距为10 mm,标距段宽度为2.4 mm,厚度为1 mm的试件。试件分为有缺口试件和无缺口试件,有缺口试件在标距段中心边缘位置预制有半径为0.2 mm的缺口,其尺寸示意如图1所示。室温条件下,对有缺口和无缺口试件分别以0.6 mm/min和3 mm/min的恒定加载速率进行连续拉伸加载测试,直至试件断裂。其中,试件A和B分别为拉伸速率为0.6 mm/min下的无缺口和有缺口试件,试件C和D分别为拉伸速率为3 mm/min下的无缺口和有缺口试件。

Table  1.  2.25Cr1Mo0.25V钢的各元素质量分数

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V
	0.15	0.10	0.54	0.009	0.01	2.30	0.98	0.30

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图  1  有缺口试件尺寸示意

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整个检测系统主要由拉伸试件、拉伸试验系统、声发射传感检测系统组成。使用耦合剂将型号为Nano30的声发射微型传感器固定在距中心约12 mm处的试件表面上（即图1中S1处）,以捕获拉伸过程产生的声发射信号。该传感器属于宽频微型传感器,谐振频率为300 kHz,并且在125~750 kHz内具有良好的频率响应,能够准确探测损伤过程中声发射信号的频率变化。此外,使用增益为40 dB的前置放大器对传感器收集到的信号进行放大。在进行拉伸试验前,先进行多次断铅试验,以确保整个声发射系统的灵敏性；拉伸试验中,设置20 dB的门槛值以滤除设备和环境噪声的干扰；拉伸试验开始后,同步采集声发射信号直至试件断裂。

2.   试验结果与讨论

2.1   拉伸性能

在两种拉伸速率下,有缺口和无缺口试件的拉伸应力-位移曲线如图2所示,可知,2.25Cr1Mo0.25V钢拉伸曲线具备明显的4个阶段特征,包括弹性变形阶段、均匀塑性变形阶段、局部塑性变形阶段和裂纹扩展与断裂阶段,即,拉伸曲线能够表征材料的不同损伤行为。

图  2  两种拉伸速率下,有缺口和无缺口试件的拉伸应力-位移曲线

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2.2   拉伸损伤的声发射特征分析

2.2.1   多元特征提取

声发射参数分析法在声发射监测与损伤评估中具有重要作用,尤其是声发射参数的可靠选择对于有效识别材料损伤状态至关重要。对多元声发射特征参量进行分析,能够降低采用单个或有限特征引起的误差,有助于更加准确地识别拉伸变形中的不同损伤状态,进而建立损伤行为与声发射特性之间的关联。文章提取的多元声发射特征参数包括幅值、能量、信息熵、质心频率。幅值表示信号波形的最大振幅值,与声发射事件的强度有直接关系且不受预设门槛值的影响。能量通常表示信号检波包络线下的面积,反映声发射事件的相对能量或强度^[10]。信息熵表示每个原始声发射波形的混沌程度或不确定性,该参数由CHAI等^[11]基于信息熵理论提出,与门槛值无关,近年来已被证实可以有效识别各种材料的不同损伤状态^[12-13]。选择以上时域特征的优势在于能够分别从信号的绝对强度、相对强度和不确定度等多个维度表征声发射信号,且这些参数与门槛值无关,或受门槛值的影响较小。此外,文章通过快速傅里叶变换将声发射信号从时域转换成频域,通过提取质心频率,以分析信号频率特征。质心频率表示能量重心所在的频率,通过频率幅值乘以频率的总和再除以幅度的总和计算得到。KONG等^[14]发现,当材料的损伤模式发生变化时,声发射信号的质心频率同样发生变化。

2.2.2   基于声发射的拉伸损伤评估

2.25Cr1Mo0.25V钢试件的幅值、能量和信息熵等参数随加载时间变化的历程图分别如图3,4,5所示。试件工程应力的变化也包括在内,以更加直观地说明声发射特征参数所区分的力学损伤阶段。根据多个声发射特征参数的变化,可以将整个拉伸过程分为4个阶段。其中,阶段一为弹性变形阶段,阶段二为均匀塑性变形阶段,阶段三为局部塑性变形阶段,阶段四为裂纹扩展与断裂阶段。

图  3  各试件的幅值和应力随时间的演变历程图

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图  4  各试件的能量和应力随时间的演变历程图

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图  5  各试件的声发射信息熵和应力随时间的演变历程图

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阶段一中,应力随加载时间的增加呈线性增加,说明试件处于弹性变形阶段。从声发射特征来看,该阶段刚开始时出现少量低幅值、低能量、低熵的声发射信号,随后声发射信号数量逐渐增多,幅值、能量和信息熵显著增大。钟斌等^[15]对钛合金圆棒拉伸过程声发射特性的研究结果也表明,弹性变形阶段会产生大量的声发射信号,与文章的试验结果一致。

阶段二中,应力逐渐增大至峰值,试件发生明显屈服并产生均匀的塑性变形,因此该阶段为均匀塑性变形阶段。与阶段一的声发射特征相比,阶段二中产生的声发射信号的幅值、能量和信息熵有明显下降。例如试件C在阶段一的信号幅值为20~80 dB,能量为0~35 mV·ms,信息熵为3~9。然而,进入阶段二,试件C的幅值为20~60 dB,能量为0~4 mV·ms,信息熵为3~6。MOHAMMAD等^[16]对不锈钢在拉伸试验中声发射行为的研究结果也表明,在进入阶段二前,声发射信号幅值较大,进入阶段二后,幅值减小,与文章试验结果一致。因此可以将高幅值声发射信号作为即将进入屈服和塑性变形阶段的识别参量。

阶段三中,材料出现颈缩现象,应力不断降低,对应局部塑性变形阶段。由于凯撒效应,所有试件在该阶段均未产生声发射信号。

阶段四为拉伸试验尾声,材料由于经历了显著的塑性变形过程,其内部累积的位错密度已经达到了极高的水平,微裂纹萌生、扩展直至断裂,故此阶段声发射信号数量突增,所有试件均产生了高幅值、高能量和高熵声发射信号。即阶段四对应裂纹扩展与断裂阶段。

综上,声发射幅值、能量和信息熵等多元时域参量能够有效表征2.25Cr1Mo0.25V钢不同拉伸损伤阶段的演化规律。当拉伸损伤进入裂纹扩展和断裂阶段时,相比于幅值,声发射信息熵和能量的增长更加显著。例如,试件C的声发射能量最高可达370.93 mV·ms,是塑性变形阶段信号能量的10倍左右,而信息熵的数值也增大到了10以上,至少是之前信号信息熵的2倍。因此,在文章试验中,采用信息熵和能量能够更加直观有效地表征不同拉伸损伤程度。通过多元特征参量的对比分析,能够更加准确地为损伤评估提供支撑。

质心频率随时间的变化历程图如图6所示（图中圆圈尺寸表征信号幅值的大小）。试件工程应力的变化也包括在内,以更加直观地说明声发射特征参数所区分的力学损伤阶段。由图6可知,声发射信号主要产生于阶段一和阶段二中,其质心频率分布范围稳定,为200~400 kHz。而试件B~D的质心频率主要在400~650 kHz。阶段三未产生声发射信号。进入阶段四,在材料裂纹扩展与断裂过程中,质心频率的数值对比阶段一和阶段二的数值显著下降,降至100 kHz左右,且低频率信号基本表现为高幅值、高能量或高熵特点。例如,试件B的弹性变形和塑性变形阶段声发射信号的质心频率为250~450 kHz,进入裂纹扩展与断裂阶段时,质心频率下降至100 kHz,其幅值为81.4 dB,信息熵为9.59。文献[14]中关于纤维增强钛基复合材料拉伸断裂试验中声发射行为的试验结果也表明,在材料裂纹扩展与断裂过程中,质心频率的数值会显著下降,且低频率信号基本表现为高幅值特征,与文章试验结果一致。因此,利用声发射质心频率与幅值、信息熵等时域参量的关联方法,可以为材料拉伸断裂失效提供可靠的安全预警指标。

图  6  各试件的质心频率随加载时间的演变历程图

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2.3   拉伸速率对声发射的影响

拉伸速率对金属材料的变形过程有一定影响。由于声发射信号主要产生于弹性变形和均匀塑性变形阶段,因此通过计算不同试件前两个阶段单位时间内产生的声发射信号数量,来分析拉伸速率对变形过程中声发射信号的影响规律。有缺口和无缺口试件在阶段一及阶段二内单位时间的声发射信号数量增长率如图7所示,可知,当拉伸速率增大时,两种试件单位时间内产生的声发射信号数量均明显增大。例如,在0.6 mm/min速率下试件A单位时间内声发射信号增量为0.352 9个/s,然而在3 mm/min速率下该参数增大至8.603 1个/s。此现象原因为：应变速率的增加导致材料内部位错的运动速率增加,同时增强了位错之间的相互作用,进而导致声发射活跃度的显著提高。

图  7  阶段一和阶段二单位时间内的各试件声发射信号数量增长率

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3.   结论

使用声发射技术对2.25Cr1Mo0.25V钢的拉伸变形过程进行原位监测与损伤评估,得出以下结论。

（1）声发射幅值、能量和信息熵等时域参数可以显著区分材料在拉伸过程中经历的不同力学损伤阶段,包括弹性变形、均匀塑性变形、局部塑性变形,以及最后的裂纹扩展与断裂阶段。通过对多元声发射特征参数的分析,能更加准确、全面地评估拉伸损伤状态的演变。

（2）当拉伸过程进入裂纹扩展与断裂阶段时,声发射质心频率会显著下降。利用声发射质心频率与幅值、信息熵等时域参量的关联方法,可以为金属材料拉伸断裂失效提供可靠的安全预警指标。

（3）当拉伸速率增加时,试件变形过程中单位时间内产生的声发射信号量显著增大,体现了拉伸速率与声发射活跃度之间的正相关性。