Page 86 - 无损检测2024年第十一期

马清和，等：

7050 铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的声发射监测

平均频率和绝对能量是能够反映AE事件物理机制 第二相和夹杂物的断裂。聚类3和聚类5的幅值相当，
的两个重要参数。平均频率是指在一定时间内所有 但聚类3绝对能量大于聚类5的，而平均频率远小于
检测到的AE信号频率的平均值， 可以提供关于损伤 聚类5的，故可以判定聚类3为裂纹扩展，聚类5为
产生机制的信息。绝对能量能够评估损伤的严重程 点蚀。
度，更严重的损伤通常伴随着更高的绝对能量释放。 2.2.3 铝合金损伤演化分析
由表2可以看出，聚类1和聚类2的绝对能量都 得到的CFCG过程中各类损伤模式AE累计能
较低，可以判断两者的损伤较小，但平均频率都比较 量和累计计数的演化过程如图13所示。大量研究将
高，因此这两种损伤类型频繁出现，而聚类2频率非 铝合金的腐蚀疲劳分为裂纹萌生、扩展和断裂3个
常高，且试验过程中出现大量气泡，可以确定聚类2 阶段。由于铝合金试件预制了裂纹，所以可以较快
为气泡产生活动，聚类1为塑性变形微裂纹的产生 进行扩展，结合图7，8，可以将铝合金CFCG整个过
活动。聚类4的绝对能量高，幅值最高，可以判定为 程分为以下3个阶段。

图 13 各类损伤模式 AE 累计能量和累计计数的演化过程
第一阶段，裂纹初始扩展阶段AE活动较弱，相 受到交变应力作用时，其内部晶粒会发生塑性变形，
比较而言，裂纹扩展活动释放的AE信号最强烈。 从而在晶界或夹杂物处形成微裂纹。点蚀是铝合金
第二阶段，裂纹扩展信号快速增加，表明试件进 在腐蚀环境中常见的局部腐蚀形式，点蚀坑的形成
入了裂纹稳定扩展阶段。可以看出铝合金点蚀的信 会破坏材料的连续性，降低材料的承载能力，同时，
号活动超过了塑性变形引发的微裂纹形成所产生的 点蚀坑内的腐蚀产物和溶液会加剧应力集中，促进
信号。随着时间的推移，夹杂物和第二相等物质的 裂纹的萌生和扩展。铝合金中的第二相和夹杂物在
脱落会释放较大的能量，所累积的绝对能量值超过 应力和腐蚀介质的共同作用下容易发生断裂，断裂的
了除裂纹扩展之外的其他损伤形式累积的。这表明， 颗粒或碎片可能成为裂纹扩展的障碍或通道，影响裂
在铝合金的腐蚀疲劳过程中，夹杂物与第二相脱落 纹的扩展路径和速率，在腐蚀环境和应力的共同作用
和裂纹扩展是两种主要的能量释放机制，二者对材 下，裂纹会不断扩展，最终导致材料的断裂失效。
料的损伤贡献显著。
3 结论
第三阶段，夹杂物断裂和裂纹扩展信号快速增
加，表明裂纹进入失稳扩展阶段。随着试件接近断 采用无监督聚类方法对铝合金腐蚀疲劳裂纹扩
裂，裂纹扩展的AE信号迅速升高，夹杂物和第二相 展的损伤模式进行识别，得出以下结论。
通过层次聚类法筛选出平均频率、幅值和绝
断裂随着断裂的迅速发展也快速发展，腐蚀坑产生 （1）
的信号活动稳步增强。 对能量这3个AE信号特征，采用K-means算法的无
综上所述，可以推测出在腐蚀环境中，受腐蚀介 监督聚类分析识别了铝合金CFCG过程中的析氢、
质和交变应力作用后，裸露的金属表面会与腐蚀介 第二相和夹杂物断裂、塑性变形微裂纹、裂纹扩展和
质发生反应，生成氢气并释放到材料中。氢气的存 点蚀等损伤模式及其演化规律。
在会降低材料的韧性，加剧裂纹的扩展。当铝合金 （2）不同损伤类型在裂纹扩展过程中的作用机

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2024 年 第 46 卷 第 11 期
无损检测