桥式起重机Q345B 钢箱形梁母材疲劳损伤的声发射双谱分析( 三 )

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（a）第2 阶段（b）第3 阶段
图9 实验室小试样疲劳各阶段典型信号归一化双谱值
由图7 可知，对比Q345B 钢实验室小试样疲劳不同阶段的波形、功率谱、归一化双谱值。图7 中的A 信号取自图5b 中归一化疲劳循环周次0.2 时的声发射信号；B 信号取自图5b 中归一化疲劳循环周次0.4 时的声发射信号；C 信号取自图5b 中归一化疲劳循环周次0.93时的声发射信号。疲劳裂纹扩展第2 阶段即稳定扩展阶段波形呈现出连续型以及综合型信号；功率谱曲线呈现单峰，且峰值频率范围在200 ～ 300 kHz 之间，归一化双谱图中呈现出多峰状态。疲劳裂纹扩展第3 阶段即失稳扩展阶段波形呈现出突发型信号，功率谱曲线呈现多峰，归一化双谱图中也表现出多峰特征，且第3 阶段的归一化双谱图峰的数量要大于第2 阶段归一化双谱图多峰的数量。
对比分析Q345B 钢箱形梁和Q345B 钢实验室小试样疲劳不同阶段的波形、功率谱、归一化双谱图，发现二者大部分是相似的，疲劳扩展第2 阶段波形都是连续型信号，且功率谱图为单峰，峰值频率范围在200 ～ 300 kHz 之间。疲劳扩展第3 阶段波形都是突发型信号，功率谱曲线呈现多峰。二者的不同主要集中在归一化双谱图上，箱形梁疲劳扩展第2 阶段是单峰，疲劳扩展第3 阶段是多峰；而实验室小试样疲劳扩展第2阶段的归一化双谱图为双峰，疲劳扩展第3 阶段仍然是多峰。这是由于箱形梁疲劳试验过程中，箱形梁尺寸过于庞大，其疲劳裂纹扩展不是沿着同一个方向进行的。所以，当箱形梁进入疲劳稳定扩展阶段，其能量释放反而更快，导致其裂纹扩展程度小于沿单一方向扩展的实验室小试样。因此，在疲劳裂纹扩展第2 阶段受损较轻，归一化双谱图为单峰；相反地，实验室小试样由于尺寸较小，其疲劳试样受单向力，在疲劳裂纹扩展第2 阶段受损严重，归一化双谱图为双峰。疲劳裂纹扩展第3 阶段2 种试样都是最终疲劳断裂，受损都很严重，归一化双谱图都为多峰。
综上所述，基于Q345B 箱形梁与Q345B 实验室小试样的声发射信号波形、频率具有相近的特征，由此推测Q345B 箱形梁与Q345B 实验室小试样的疲劳断裂损伤状态是相同的。
2.3 Q345B 钢疲劳断裂损伤状态的声发射监测
根据断裂力学理论，实验室小试样疲劳试验过程中的应力强度因子幅ΔK 是疲劳裂纹扩展速率da /dN 的决定因素。 da /dN 与ΔK 之间的关系可以用Paris-Erdogan公式描述

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式中：n 、m 分别为材料常数，对于钢材料，指数m 大致为2 ～ 4 。
由于桥机箱形梁特殊的箱形结构，其应力强度因子幅ΔK 与裂纹处应力幅S r 有关，所以ΔK 的计算公式为

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实验室小试样；（b）箱形梁
Q345B 钢桥机箱形梁和实验室小试样的第一阶段的声发射源与微裂纹萌生有关，这与试样大小、形状无关。对于2 种试样试验开始阶段，即裂纹萌生阶段会有应力集中的现象。大量声发射信号是由裂纹源的萌生以及缺口尖端的强烈塑性变形造成的，这就解释了Q345B 钢归一化声发射计数与疲劳循环周次关系图中，声发射累积计数在第一阶段迅速增长。另外，试验刚开始阶段的高声发射信号量，还可能是由于机器压头处存在有一定的摩擦噪声信号引起的。

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实验室小试样；（b）箱形梁