液压支架材料的声发射拉伸损伤机制研究.pdf

总第 1 9 9期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 7 9 8 ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 1 5 液压支架材料 的声发射拉伸 损伤机制研 究 韩文静 ， 宋进朝 1 ． 河南能源化S - 集团永城职业学院 矿业工程系， 河南 永城4 7 6 6 0 0； 2 ． 河南能源化工集团永城职业学院 建筑工程系， 河南 永城4 7 6 6 0 0 摘要 采用液压支架材料 2 7 S i Mn圆棒缺口试件研究其拉伸断裂过程的声发射特性。在不同阶段声发射 计数值对应着材料的不同损伤阶段。对材料的断口微观形貌进行分析。 证实微孔洞损伤机制。用统计分 析方法计算临界孔洞扩张比 为2 ． 8 4 。表明液压支架材料的微孔洞损伤演化机制和力学过程同声发射 过程一致 。 关键词 2 7 S i M n ； 拉伸； 声发射； 微观形貌； 孔洞扩张比 中图分类号 T H 2 1 3 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 ． 2 7 9 8 2 0 1 6 0 3 ． 0 0 3 4 ． 0 3 声发射是指材料局部发 出瞬态弹性波的现象 。 这种现象是由于能量在短时间内迅速 的释放。声发 射技术是利用仪器探测、 记录、 分析信号和利用信号 进而来推断声源。现代声发射技术的开始标志是 以 德国K a i s e r 在 2 0 世纪5 0年代初所作的研究。声发 射技术是一种动态无损伤检测技术 ， 在材料性能测 试 、 疲劳试验和断裂试验 中。 同材料内部损伤有对应 关系 ， 声发射特征参量 的变化直接对应材料不 同的 损伤状态l 1 I 5 ] 。 液压支架在煤矿支护 中起着 非常重要 的作用 ， 需要反复承受拉伸 、 压缩 、 弯曲和振动冲击等多种作 用力 ， 液压支架常用 的材料为 2 7 S i M n钢 ， 将材料制 成圆棒缺口试件， 进而研究其拉伸断裂过程的声发 射特性， 针对断口形貌进行计算获得临界孔洞扩张 比 1 实验材料 选用液压支架常用材料 2 7 S i M n ， 化学成分见表 1 。 采用标准圆棒缺 E l 拉伸试件 ， 缺 E l 半径 R1 4 m m， 颈部最小截面直径为 8 mm， 共加工 4个试件。 表 1 2 7 S i Mn 钢化 学成分 ％ 兰 堕 坌 竺 皇 竺 呈 竺 数值0 ． 2 8 1 ． 1 1 ． 4 0 ． 0 3 5 0 ． 2 0 ． 3 2 实验装置与试验方法 实验装置主要由 S A N S万能电子拉伸机、 P C I 一2 全数字声发射仪、 WD型传感器、 2 ／ 4 ／ 6前置放大器 以及 日立 3 4 0 0型扫 描 电镜 等 组 成。采 用 日立 3 4 0 0型扫描电镜试样进行 表面形貌分析 。 分辨率 小于 5 ． 0／ x m， 放大率为 2 0～ 3 0 0 0 0 0倍。 在实验环境下进行声发射检测从 而有利于后续 采集细观损伤微 弱信号_ 6 ] ， 门槛值设 定为 3 0 d B 。 模拟源用是硬度为 HB的 D O ． 5 m m铅笔芯折断信 号 。 进行各通道灵敏度标定E 。拉伸机进行加载速 率为 0 ． 3 mm ／ m i n的匀速轴 向拉伸。声发射检测 系 统参数设置， 见表 2 。 表 2 声发射检测系统参数设置 3 实验结果及分析 3 ． 1 声发射测试结果及分析 表 3为试件 的声发射测试结果 。主要有轴向位 移量和声发射累积撞击计数的平均值两个方面 ， 其 中选取强度极限点 D、 断裂点 E、 屈服点 B和屈服 阶 段结束点 C作 为典型标记。表 明声发射 累积撞击 计数在反映材料损伤状态变化方面表现较好[ 7 1 o ] 。 以 3号试件为例分析 2 7 s i Mn钢 的不 同拉伸损伤阶 段状况。声发射幅值 一累积撞击计数 一应力随时间 历程状况 ， 如 图 1所示。 通过图 1 可知 ， 2 7 s i Mn钢拉伸损伤过程分为 四 个阶段 弹性变形 阶段 、 屈服阶段 、 强化 阶段 以及颈 缩阶段 。 1 A B段为弹性变形阶段 03 6 5 S ， 0～ 2 8 1 MP a 。在这个 阶段声发射累积撞击计 数变化 收稿日期 2 0 1 5 1 0 - 2 9 作者简介 韩文静 1 9 8 5一 ， 女， 河南永城人， 讲师， 从事材料工程安全研究工作。 2 0 1 6年 3月 韩文静等 液压支架材料的声发射拉伸损伤机制研究 第2 5卷第3期 程度 ， 便于测量。郑长卿等在理论分析及大量实验 数据基础上 ， 给出了轴对称缺口拉伸试样最小截 面心部 的表达式 2 e 1 l n 1 其 中 D 为试 样 断裂 时 的最小 截 面处 直 径 ， mm； D 。为试样缺 口处的初始截面直径 ， mm； r 为断 裂时缺 口处 的曲率半径 ． m m。 通过实验测定试样 、 D 和 r ， 便可确定 临界 孔洞扩张 比 的值 。采用螺旋千分 尺在缺 口试件 中部位置 ， 对于其相互垂直的两个方向分别测一次 ， 获得算术平均值 。将试样加载到断裂后 ， 将试件 断 口位置对齐 ， 对试样 缺 口最小截面直径和根部 曲 率半径进行测量 ， 分别取算术平均值作为 r 和 D 。 根据公式 1 计算得到 表 4 。 表 4 临界孔洞扩宏观张 比 测试结果 试 件 号 易 烹 留 銎 茬 煮 c 2号 2 ． O 1 8 ． 0 5 5 ． 1 2 3 ． 1 2 3号 2 ． 1 3 8 ． 1 2 5 ． 3 0 2 ． 9 1 4号 2 ． 5 2 8 ． 0 1 5 ． 2 0 2 ． 6 6 根据表 4计算 ， 得 到的结果 ， 不考虑测量误 差因素， 所测四组 2 7 S i M n钢试件的 平均值为 2 ． 8 4 ， 这也与声发射特性 实验和断 口形貌分析的结 果存 在着 一致 性[ 1 。 数 值 越大 表 明。2 7 S i M n 钢的断裂韧度值就越高 。这也是集中反映了材料抗 力的力学性能指标 。 也表明了2 7 S i Mn钢的塑性损伤 程度和材料的内部组织结构及性能密切相关 。 4 结语 在不同拉伸阶段声发射计数值随材料内部微结 构变化而不同， 表明液压支架材料的微孔洞损伤演 化机制和力学过程同声发射过程一致。对材料的断 口细观形貌进行了分析证实了微孔洞损伤机制 。 参考文献 [ 1 ] 王慧晶， 林哲 ， 赵德有． 声发射技术在工程结构疲劳 监测中的应用和展望[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 7， 2 6 6 1 5 71 9 1 ． [ 2 ] L e e D E， H w a n g I ， V a l e n t e C M O， e t a 1 ． P r e c i s i o n Ma n u - 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