应用声发射技术检测钢轨中裂纹扩展

发布日期：2014-07-18 09:21　　　浏览次数：次

现代铁路行驶速度和轴载荷的提高增加了钢轨劣化。为消除由于钢轨缺陷导致的轨道故障，状态检测系统需要具备早期监测到钢轨服役中缺陷成长的方法。声发射（AE）检测是唯一非破坏性的技术，它可以在线应用并研究在行车负载下的缺陷成长。然而，裂纹扩展的较高交通噪声环境和有限的信号，尤其是在低裂纹扩展速率下，AE信号分析非常复杂。在本研究中，在嘈杂的实验室环境使用不同信号分析方法用AE检测钢轨疲劳。对机器噪声、样品变形和裂纹扩展AE信号参数进行了鉴定，发现由裂纹扩展产生的AE信号与断裂模式有关。

声发射（AE）检测技术已被证明是一种检测钢中疲劳裂纹萌生与扩展的可靠方法。声发射计数率，定义为单位时间或变形周期信号过门槛计数的数量，它被广泛接受当作裂纹扩展的指示参数（见图1）。不过，疲劳检测过程中的AE事件绝对数量和AE计数率与钢的微观组织和力学性能、加载模式和试样形状以及是否存在化学上侵蚀的环境有关。如果不是裂纹扩展的过程如试样变形、摩擦或机器工作引起了背景噪声AE增加，则信号分析变得更为复杂。

图1：0.77C-0.84Mn-0.29Si-0.21S钢轨在横幅载荷下AE撞击和AE计数率随时间变化图

图2：试样加工和疲劳试验过程加载示意图

现代化铁路承载能力（更高的行驶速度和轴重）增加，提高了钢轨的动态载荷，增加线路劣化的可能性。为了保持高安全水平的铁路运营，对铁路运行条件的检测需要那些具备早期监测到服役中产生的滚动接触疲劳裂纹和裂纹扩展的检测方法。声发射可以检测钢轨在行车负载下是否正在发生裂纹扩展。众所周知，疲劳裂纹在萌生后可以缓慢扩展，可能不会产生大量的仅凭AE计数率就可以很容易地从背景干扰中区别开的AE事件。因此，需要对AE参数进行大量分析，从干扰信号中分离出裂纹信号，特别是需要对由裂纹扩展引起的每一声学波形进行量化表征。本研究中，在“嘈杂的”实验室环境下，也就是从工作的机器和试样塑性变形产生高的声发射情况下，进行钢轨钢疲劳AE检测，以确定是否可以识别出裂纹扩展信号特征。

1、材料和试验方法

从260级钢轨钢（0.7C-0.2Si-1.0Mn-0.4Cr）切取矩形长条试样，在垂直轨腰方向加工中心裂纹角度30°、4mm深缺口。在Amsler100kN振动机上进行三点弯曲疲劳试验（见图3），其中一个试样预制裂纹，两个试样未预制裂纹，施加最小/最大应力比R=0.06循环载荷，起始频率79Hz。通过静载电机施加平均负载，其AE噪声水平低于本试验设置的30dB阈值。采用一个独立的（电磁）电机施加动态负载，其AE噪声水平超过设定的30dB阈值。使用2个宽带差分压电传感器、2个2/4/6型前置放大器和工作在PCI2系统下E3.61版本AEWin软件，在工控机上记录声发射。使用希腊Envirocoustics公司开发的5.3版本AE Win & Noesis软件进行AE信号分析。使用试样表面复型照相技术检测裂纹扩展开始与裂纹长度。为了确定断裂模式，分析了试验后的断裂表面，使用莱卡DMRX光学显微镜分析了6.1mm2区域，飞利浦XL30扫描电镜分析了15.9mm2区域。

图3：在裂纹萌生和扩展过程中不同幅度（dB）-试验时间（s）-波持续时间（μs）分布图上波形和快速傅里叶变换（FFT）功率谱

2、结果与讨论

　　对无预制裂纹的试样在疲劳试验过程中的AE监测显示，在裂纹萌生后（约2100s）AE响应出现明显变化。从在裂纹萌生后的撞击幅度-试验时间-持续时间分布图可以看出：

　　1）在撞击幅度<50dB范围内AE显著减少。

　　2）在幅度>65dB范围内出现了能量和持续时间3倍高的AE，当裂纹扩展时撞击数频度增加。

　　在裂纹萌生后，随试验时间变化平均撞击特征参数的分析如下：

　　1）AE计数率增加。

　　2）幅度没有出现明显变化。

　　3）有效值电压（RMS）、上升时间和能量可能出现峰值，最大达到裂纹萌生前试验时间的10倍。

　　4）平均频率提高。

　　在裂纹萌生后，AE计数率、平均频率、RMS、上升时间和能量与背景噪声强度呈现明显差异，因此可能用于在“嘈杂”环境下检测裂纹扩展。不过，研究中发现在裂纹萌生开始大约20000疲劳周次后，即当裂纹扩展速率达到有效值时，这些参数出现“合理的变化”。实际上，裂纹通过短扩展增量扩展，产生有限水平的AE。因此需要分析撞击波形，以识别低速率的裂纹扩展。

　　研究中，AE信号图表现出各种形式的波形和功率谱，针对产生AE的可能原因，在幅度-持续时间分布图上找出三个区域（图3，表1）：

　表1：在无预制裂纹试样疲劳过程中AE波形参数

区域（图3）	可能的AE原因	幅度/dB	持续时间/ms	FFT功率谱峰值频率/kHz
1	设备噪声	<35且65-80	<20	<50
2	试样变形	35-50	<20	50-200
3a	塑性裂纹扩展	>65	>60	<50
3b	脆性裂纹扩展	>65	>20	200-250

1）区域1可能由机器噪声引起。该区域的AE存在于整个试验过程中。在裂纹萌生后机器噪声信号的低幅度部分消失，这与当振动设备维持恒定载荷时试样刚度降低以及加载频率和加载幅度变化有关。

　　2）区域2可能由试样塑性变形（位错运动）引起。该区域内，AE在裂纹萌生前上升，原因是在缺口尖端周围应力集中，而在裂纹萌生后AE下降，原因是在裂纹尖端前沿塑性变形材料量减少。

　　3）区域3可能由裂纹扩展引起。该区域内AE在裂纹扩展开始后出现。在该区域观察到两大AE特征：低频率高持续时间（区域3a）和高频率低持续时间（区域3b），认为分别与塑性断裂模式和脆性断裂模式有关。

　　观察到100%珠光体钢中脆性裂纹扩展的功率谱峰值频率高于塑性变形裂纹扩展的峰值频率（表1），这一结果与其他钢种的试验数据一致。100%珠光体钢变形时峰值频率（50-200kHz）高于全铁素体钢（<50kHz），且与双相钢（<100kHz，150-175kHz）相当。100%珠光体钢中脆性裂纹扩散峰值频率（200-250kHz）低于双相钢中脆性裂纹扩展频率（550-600kHz），且与双相钢（<100kHz,150-175kHz）相当。100%珠光体钢中塑性裂纹扩散峰值频率（<50kHz）低于双相钢中塑性裂纹扩展频率（100-120kHz），且与全铁素体钢塑性变形（<100kHz,150-175kHz）相当。造成上述原因可由钢的化学成分、显微组织和力学性能、断裂机制和试验参数（加载模式、应力因子和加载频率）的差异来解释。

　　试验后试样断裂表面的SEM照片显示出准解理断裂机制的特性，它由脆性（解理）和塑性（剪切）断裂模式组成，这是100%珠光体钢的典型断裂特征。这两种断裂模式，即脆性和塑性断裂，对应于在>60dB区域记录的两种AE特征，它们是：塑性断裂模式下长持续时间低频AE信号和脆性断裂模式下短持续时间高频AE信号。

　　试样断裂表面的光学照片显示，在裂纹萌生后随着试验时间增加，即裂纹长度、应力因子和裂纹扩展速率增加，解理面数量增加。这对应于短持续时间高频AE撞击/波数量的增加，为脆性断裂模式的特征。

3、结语

　　用声发射技术检测钢轨的疲劳和断裂行为得出如下结论：

　　1）在疲劳裂纹萌生后AE信号特征（如平均频率、RMS、上升时间和能量）表现出的变化水平足以检测裂纹扩展。不过，在嘈杂环境及低裂纹扩展速率情况下，应推荐采用更有效的撞击波形和功率谱分析方法检测裂纹扩展。

　　2）100%珠光体钢塑性断裂声发射功率谱峰值频率在50-200kHz范围内，这高于全铁素体组织的钢，并与铁素体-马氏体组织钢相当。

　　3）由裂纹扩展产生的AE信号与断裂模式有关：塑性断裂产生高持续时间、低频信号，脆性断裂产生低持续时间、高频信号。在100%珠光体钢中，观察到塑性断裂时AE功率谱峰值频率低于50kHz，脆性断裂时高于200kHz。

　　4）大量的低持续时间高频AE撞击/波形定量地反映了解理面的数量，即脆性断裂面的大小。

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