Page 58 - 无损检测 2021年第六期
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王恩和, 等:
基于数字图像和声发射技术的 4130X 钢拉伸断裂损伤状态监测
20 世 纪 80 年 代, YAMAGUCHI 等 [ 4 ] 最 先 提 式中: S D 为应变标准差; ε i 为第 i 个像素点的应变
出 DIC 技术。近些年逐渐有学者将 AE 技术和 DIC 值; n 为像素点的个数。
技术结合起来对不同材料的损伤演化规律 进行研 1.2 试验材料及尺寸
究, LU 等 [ 5-6 ] 使用 AE 技术和 DIC 技术对岩石材料 试验材料为 4130X 钢, 其力学性能为: 抗拉强度
进行了研究, 通过对有预裂纹的砂岩梁试件的一系 不小于930 MPa ; 剪切强度不小于 785 MPa ; 标距长
列弯曲试验, 达到了实时监测裂纹尖端的开裂过程 度5倍直径的伸长率不小于12% ; 断面收缩率不小于
和采集变形特征的目的; FARHIDZADEH 等 [ 7-8 ] 使 50% ; 深2mm U 型缺口试件的冲击吸收功不小于
用 AE 技术和 DIC 技术对复合材料进行了研究, 发 63J ; 布氏硬度不大于 229HB 。试件为板状, 具体尺
现了接收到的 AE 信号与 DIC 数据之间有很好的 寸如图2所示。试件分为两种, 一种无预制缺陷, 一
相关性。可以看出, DIC 技术主要用于试件表面的 种在试 件 中 心 处 预 制 规 格 为 0.4 mm×0.4 mm×
应变表征, AE 则可以利用声发射信号的变化规律 2mm ( 长×宽×深), 沿试件厚度方向贯穿的缺陷。
来分析材料内部的损伤演化规律 [ 9-10 ] 。将两者结合
使用, 发挥各自的优点是材料损伤无损检测领域研
究的热点之一。
笔者提出了基于 DIC 和声发射技术的材料变
形应变 状 态 表 征, 开 展 了 4130X 钢 加 载 过 程 中 的
DIC 和声发射监测, 研究了应变非均布变化参量与 图 2 试件结构示意
受载过程中损伤变化的对应关系, 同时进行了损伤 1.3 试验系统及流程
过程产生的声发射特征信号的识别与表征。 拉伸断裂试验采用岛津 AG-X 型电子万能试验
机, 拉伸速率为 0.5 mm · min 。在拉伸试件两端
-1
1 试验原理及方法 分别固定两个声发射传感器, 试验分为 2 组, 对有无
1.1 变形不均匀程度表征 预置裂纹的情况进行对比分析, 每组各 2 个, 将试件
在拉伸机上进行单向拉伸直至最终拉断, 对整个过
DIC 的基本原理是使用 CCD ( 电荷耦合器件)
摄像机对试验过程中的试件表面形变进行拍摄, 通 程进行 DIC 及声发射监测。
过应变分析预设计算区域, 将目标图像与参考图片 声发射监测系统采用 PAC 公司产的 PCI-8 系
最相关的点定义为同一点, 并在试验中计算同一点 统, 门槛为 35dB , 前置放大器增益 为 40dB , 峰 值
在目标图像与参考图片中坐标的偏移量, 得到该点 定义时间( PDH ) 为 300 μ s , 撞击定义 时 间( HDT )
为 600 μ s , 撞击闭锁时间( HLT ) 为 1000 μ s , 模拟
的位移, 再利用位移变化表征材料表面的应变变化。
滤波器上限为 20kHz , 下限为 400kHz , 采样率为
DIC 测量原理如图 1 所示。
200 万次 / s 。 Nano30 型传感器的频率为150kHz~
400kHz , 两传感器沿着试件中心线对称放置, 彼此
相距 60mm , 试验装置及传感器布置如图 3 所示。
2 试验结果及分析
2.1 4130X 钢拉伸损伤 DIC 分析
图 1 DIC 测量原理示意 图 4 为拉伸过程中试件表面应变云图最大应
为量化试样表面变形不均匀程度, 引入应变标准 变、 最小应变以及平均应变响应曲线, 根据曲线增长
差作为材料损伤过程表面应变及损伤的表征参量, 能 速度, 结合拉伸过程中力学曲线大体划分为I 、 II 、 III
够较好地反映数据离散程度[ 见式( 1 )]。设 - 为各 三个阶段, 即弹性阶段( 无明显屈服阶段)、 强化阶段
ε
像素点应变分布的平均值, 其计算方法如式( 2 ) 所示。 和缩颈阶段。其中红色曲线对应图中红色集中区
n 域, 即局部最大应力处; 黑色曲线对应图中紫色集中
1 -
2
S D = ∑ ( ε i -ε ) ( 1 ) 区域, 即局部最小应力处。随着拉伸机行程不断增
n-1 i =1
n 加, 最大应变不断增加, 且各阶段最大应变增长速率
1
-
ε = ∑ ε i ( 2 )
n i =1 排序为I>II>III 。这是由于试件不断拉伸, 试件内
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2021 年 第 43 卷 第 6 期
无损检测
