● 摘要
钢及镁合金等金属结构材料由于具有高强度、硬度、塑性以及韧性等优异力学性能而广泛应用于建筑，压力容器，汽车以及航空航天等重要工程领域。为了确保这些结构材料的安全服役及使用，对其形变及疲劳损伤进行检测和评估非常重要。声发射作为一种实时高效的无损检测手段，已被广泛应用于金属结构材料的损伤监测中，但是其损伤评估理论及方法仍有待进一步深入。本文便针对金属结构材料Q345钢及AZ31镁合金损伤过程中典型声发射微观源机制及表征、载荷条件及微观组织影响因素、损伤评估预测方法等几个重要问题开展了细致而系统的实验研究及理论分析。
本文首先研究了金属材料中位错滑移声发射特征及源机制。通过综合分析Q345钢热轧态试样形变过程应力应变关系、声发射参数波形特征以及微观位错观察，确定了弹塑性阶段、屈服阶段、硬化阶段的声发射特征及微观源机制。明确了连续型信号及突发型信号对应的微观位错活动。进一步通过影响因素对比分析，研究了应变速率、结构尺寸、材料微观组织对声发射信号及形变过程的影响，并总结了位错运动速度，位错自由程、初始可动位错密度以及位错与质点相互作用等因素对不同类型声发射信号的影响。
接下来研究了疲劳断裂过程中的微断裂声发射源机制。通过对比无缺口试样确定了35kHz的平均频率滤波门槛，并得到了降噪后的疲劳裂纹扩展信号。得到了Q345钢疲劳裂纹扩展过程中声发射的三个典型阶段，并通过分析不同阶段的断口特征得到了三个阶段相应的微断裂事件及声发射源微观机制，即：裂纹萌生、裂纹尖端塑性区中的塑性事件以及微孔洞微裂纹间的韧带撕裂和聚合。改变加载条件及微观组织对比分析，得到了最大载荷、焊接组织、相组成、质点等对疲劳性能及声发射计数、计数率、转变点等的影响机制。
本文还研究了镁合金材料形变及疲劳损伤过程中的孪晶变形声发射源机制。通过研究不同取向AZ31镁合金试样的形变及疲劳损伤声发射信号及微观组织特征，揭示了形变及疲劳过程中主要的声发射源机制分别为孪晶位错活动以及裂纹扩展和孪晶事件。还研究了疲劳加载频率、试样织构取向等对声发射信号的影响。结果显示这些因素的影响均与损伤过程中孪晶事件密切相关，孪晶事件的增加将大幅提高声发射信号强度，而通过分析声发射波形频谱以及上升事件与幅值分布，可以对孪晶机制进行识别。
建立了基于自组织临界理论及声发射幅值分布的声发射源机制统计表征方法。对不同微观损伤机制及损伤阶段的声发射信号进行了幅值分布分析。结果显示不同损伤机制及损伤阶段的幅值分布基本符合幂次线性关系，说明各阶段的位错活动具有自组织临界特性。但不同微观损伤机制、微观组织、以及损伤阶段的变化会显著影响幅值分布规律及分布指数。利用幅值分布指数结合声发射参数波形特征可以实现对损伤的初步评估识别。
根据声发射幅值分布特点，构建了基于声发射幅值分布以及神经网络的形变损伤评估模型。该模型可以对以上典型损伤机制及损伤阶段进行有效评估预测，并且重复性好不依赖于自身测试数据，也不依赖于监测历程，可用于随机监测数据。可实现对位错滑移、疲劳微断裂以及孪晶变形等典型损伤机制及损伤阶段的准确评估。
最后基于声发射监测数据建立了疲劳裂纹扩展的参数拟合法及概率预测法模型。前者通过建立裂纹扩展速率与声发射计数率的关系并积分得到疲劳裂纹长度的预测值；而后者通过将模型参数概率化，并根据贝叶斯推论获得其后验分布，再通过声发射计数率计算裂纹长度的概率分布。采用基于声发射的参数拟合法及概率预测法分别对Q345钢及AZ31镁合金试样进行了疲劳裂纹长度预测。结果显示两种方法均能较准确的预测两种材料中的疲劳裂纹长度。