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1、复合材料损伤过程的声发射研究方法 杨盛良 刘 军 杨德明 尹新方 (国防科技大学材料工程与应用化学系,湖南长沙 410073) 摘 要 对声发射(A E)研究的基本方法作了简介,采用参数分析和波形分析方法对金属基和 陶瓷基复合材料在变形损伤过程中的A E特征进行了研究,结果表明,通过记录声发射特征参数可 以有效地判断复合材料各阶段的变形损伤机制。因此,利用A E这一手段可以更全面、 更深入地了 解复合材料的损伤破坏过程。 主题词 声发射特性 复合材料 破损机理 APPL ICATI ON OF ACOUSTIC EM ISSI ON TECHNIQUE IN THE STUDY OF THE
2、DAMAGE PROCESSOF COM POSITEMATERIALS Yang Shengliang L iu Jun Yang Dem ing Y in Xinfang (Department ofM aterial Engineering and Applied Chem istry, N ationalU niversity of Defence Technology, Changsha Hunan) Abstract The application of acoustic em ission technique in the study of the damage processo
3、f fiber reinforced alum inium compositew ires(MM C)and CF?SiC ceram icmatrix composites(CM C)has been discussed, including the traditional A E characteristic parameter analysis and new ly2developed wave analysis methods .It has been indicated that from the study of the A E behavior of the composites
4、, the damage mechanism in the damage process can be revealed.It has been proved by the results that A E technique is a very useful means for the research of MM C and CM C. Keywords A coustic em ission characteristic Composite Damage mechanism 声发射(A E)是指物体在受到形变和外界作用 时,内部的应变能以弹性波的形式迅速释放出来的 物理现象。 作为一种动
5、态无损检测技术,声发射可以 用于监视材料在变形、 失效过程中的损伤累积,鉴别 失效机制和确定损伤部位等。 与超声、 涡流等方法相 比,声发射具有实时连续、 灵敏度高、 操作简便等优 点,因而在材料研究方面的应用越来越多,成为一种 新型的热门技术。 对于复合材料,可以利用声发射技 术鉴别其具体失效机制和失效次序,研究其界面状 况,评价其力学性能等,因此是一种很有价值的研究 手段。复合材料的声发射研究70年代开始于美国, 80年代在法、 日、 英等国得到继续发展,但大部分工 作都是在树脂基复合材料中进行的,在金属基和陶 瓷基复合材料方面还处于起步阶段,虽有一些研究 报道,但总的来说还不够广泛和深入
6、1 5。 1 声发射研究的主要方法 1. 1 参数分析法 参数分析法是通过记录和分析声发射信号的特 征参数,如幅度、 能量、 持续时间、 振铃计数和事件数 等,来分析材料的损伤破坏特征,如损伤程度和部 位、 破坏机制等。图1为A E信号的各参数示意图。 1. 2 波形分析法 图1 A E信号的各参数示意图 tR上升时间 tF下降时间 303 第22卷第7期 2 0 0 0年7月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 7 July 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
7、标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 波形分析方法是指对声发射信号的波形进行记 录和分析,得到信号的频谱及相关函数等,通过分析 材料不同阶段和不同机制引起损伤的频谱特征,可 以获得材料的损伤特征。 从理论上讲,波形包含了事 件的全部信息,波形分析应当能给出任何所需的信 息,因而也应是最精确的方法,但由于技术上的原 因,要得到真实的A E信号波形相当困难,而且早期 的模拟式声发射仪一般也不具备对A E信号进行瞬 态波形捕捉和实时处理的能力。 本文对束丝纤维增强铝复合丝及CF?SiC陶瓷 基复合材料变形过程的声发射特征进行了研究,结 合参数分析和波形分析两种方法,以期更准确地分 析复合材料的
8、损伤破坏过程。 图2为在国产A E2400 型声发射仪上增加了波形采集功能后的实验过程示 意图,本文纤维增强铝复合材料的A E特征参数分 析 所 用 声 发 射 仪 为 美 国PAC公 司 生 产 的 M ISTRA S22001型。 图2 复合丝声发射实验过程示意图 2 复合材料损伤过程声发射信号特征 2. 1 束丝纤维增强铝复合丝损伤过程的AE行为 实验材料为两类束丝纤维增强铝复合丝(直径 约0. 5mm ), 系采用超声液相浸渗法制备,A 1A 4 为SiC(N icalon)?A l,B1和 B2 为C(M 40J)?A l,各 试样制备工艺条件不同。对这类复合材料在拉伸变 形过程中的
9、A E行为进行了研究。拉伸试验在普通 电子万能试验机上进行,加载速度为0. 5mm?m in。 采用自行设计的机械夹持装置固定传感器与复合 丝,并涂以黄油使之获得良好的耦合。 采用参数分析方法记录了A E事件数,振铃计 数、 能量和持续时间等特征参数,表1为复合材料强 度与声发射特征参数,图3为A E事件累计数变化 曲线。 由表1及图3可以看出,对于同类纤维增强复 合材料,强度较高者,其对应的事件累计数、 振铃计 数值和能量累计值也较高。对比图3中SiC?A l和 C?A l两类复合材料可以看出, 两者的载荷2声发 射曲线有相似的特点,即都经过A E数缓慢上升、 持 表1 复合材料强度与声发射
10、特征参数 材料 编号 抗拉强度 M Pa 事件数 累 计 振铃计数 累 计 能 量 累 计 A 1 1 5301 40520 6234 964 A 2 1 22786010 0554 040 A 3 1 1577036 6803 185 A 4 9305355 3311 705 B1 9701 81523 1085 366 B2 7108317 5933 639 图3 复合材料声发射载荷2事件累计数曲线 续增加和急剧增加三个阶段,这也说明复合丝损伤 变形过程大致可以分为三个阶段。C?A l强度较 低,开始出现声发射的载荷也较低,而在同类材料 中,尽管由于状态不同,强度差别较大,其开始出现 声发
11、射的载荷大致相同。C?A l复合材料的事件 数相对较多,这与其每束纤维根数较多,界面面积较 大,因而纤维断裂和界面破坏也相应较多有关。 图4为本试验中两类复合材料在拉伸形变损伤 过程中的幅度和持续时间等分布图。 由图4可以看出损伤过程三个阶段的两个分界 点,第一点是开始连续出现较高幅度(本试验中 55dB)的声发射时,第二点是开始连续出现较长持 续时间( 400s)的声发射时。 第一阶段主要是界面 摩擦和界面微区损伤等机制产生的声发射;第二阶 段是纤维连续破坏,A E事件数开始较快地增加;第 三阶段复合材料已处于全面失效的阶段,大量纤维 破断,出现因纵向裂纹扩展和纤维拔出等造成的界 面严重分离
12、,产生持续时间较长的声发射。 为了研究复合材料变形过程中的损伤机制,采 用波形分析方法研究了纤维断裂及复合材料拉伸变 形过程中A E信号的频谱特征(图 5) 。结果表明,纤 维断裂A E信号有其特征频谱,中心频率在90100 403 杨盛良等:复合材料损伤过程的声发射研究方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 (a)声发射幅度(b)持续时间 图4 复合丝拉伸变形各阶段的A E特征参数分布 (a)A E信号的时域波形 (b)A E信号的频谱图
13、图5 纤维及复合丝断裂A E信号的时域波形及其频谱 kHz左右,复合材料损伤过程中除纤维断裂信号外, 还出现了大量中心频率为300340kHz左右的A E 信号,说明复合材料的损伤过程存在多种损伤机制。 2. 2 陶瓷基复合材料损伤过程的AE行为 对两种不同工艺参数制备的CF?SiC复合材料 在三点弯曲过程中的A E行为与应力2应变规律进 行了考察,材料基本性能如表2所示。 表2 两种工艺条件的CF?SiC复合材料基本性能 编号 密度 g?cm3 孔隙率 % 弯曲强度 M Pa 断裂韧性 M Pam1? 2 A1. 7022. 537415. 6 B1. 7518. 644517. 3 图6为
14、A ,B两种材料的载荷2位移曲线与声发 射事件数分布图,由图可以看出,在较低的应力水平 下,两者都处于弹性形变阶段,没有明显的损伤发 生,声发射特征表现为A E事件极少,当应力达到某 一水平时,在试样缺口顶端出现沿纤维方向的基体 开裂,此时有少量A E出现;之后,随着应力增大,损 伤不断增加,A E事件数也随着增多,直到基体断 裂。这一特征在试样B中表现尤为明显,试样B基 体断裂后,纤维的增强作用得到充分发挥,材料保持 了较高的强度,这与该试样中孔隙率较低、 基体与纤 维结合紧密有关。而在试样A中,由于一部分纤维 的断裂,材料在达到最大载荷后,先逐渐下降,然后 503 杨盛良等:复合材料损伤过
15、程的声发射研究方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图6 CF?SiC复合材料载荷2位移曲线与 声发射事件2位移曲线 是载荷的突然下降,在A E特征上表现为出现了两 个A E事件集中的时刻,这与该试样较高的孔隙率 和孔隙尺寸有关。 由于孔隙存在于束间,且沿纤维轴 向,孔隙周围易出现损伤,在一部分承载的纤维断裂 后,应力下降,而后由其上面一层纤维继续承载,因 此第一次的集中A E事件是由于第一层纤维断裂引 起的,之后出现的较少的A E事件则由
16、试样的逐层 破坏引起,第二次集中出现A E事件时,基体出现断 裂,载荷大幅下降,之后材料进入失稳破坏阶段,由 靠近压头的一部分纤维承载,这些纤维与基体的结 合是不强的,因而载荷逐渐下降,此阶段有少量的 A E事件出现。 3 结束语 作为一种检测技术,声发射研究的可靠性、 效率 和深度紧密依赖声发射仪器的水平,特别是对于复 合材料而言,由于其损伤破坏包含多种机制,A E信 号复杂,对仪器的灵敏度、 信号处理速度和稳定性都 提出了更高的要求。 随着计算机技术的迅速发展,声 发射仪已从传统的模拟式发展到全数字式,其精度、 速度都有提高,为复合材料的研究提供了方便。 声发射是研究复合材料的非常实用的手
17、段,使 用简单方便,它可以在测试材料力学性能的同时获 得材料动态形变损伤过程中的宝贵信息。随着声发 射仪器技术水平的大幅度提高,新型全数字式声发 射仪可以更加全面、 深入地分析复合材料的损伤破 坏过程,这对研究复合材料具有重要意义。 参考文献 1 袁振明等.声发射技术及其应用.北京:机械工业出版社, 1985. 2 M ummery PM , Derby B,Scruby CB.A cta M etall M ater, 1983, 41(5): 1431- 1445 3 Yasushi S,A kinori O.N ational A erospace L ab. Tokyo: 1988.
18、4 Farrow GJ, Hughes JD, Darby M I .J Phys D: Appl Phys, 1994, 27: 644- 651 5 金周庚. SiC?A l复合材料声发射试验研究.科学技术报 告, 1989. 收稿日期: 1999205211 (上接第302页) 5 用短前沿大K值微型探头探测T形叶根 对于T形叶根,我们研制了一种短前沿大K值 探头,其尺寸为8mm12mm20mm ,用5P, 5mm 5mm压电晶片制成,K值为2. 83,探头楔块采 用聚枫树脂,探伤面改在叶片的背弧面,利用一次或 图15 图16 三次波来探测T形叶根的裂纹。探伤原理见图15, 图16是利用该探头在永昌电厂12 MW机组上探测 到的2mm人工孔锯槽的波形图。 收稿日期: 1998209203 603 杨盛良等:复合材料损伤过程的声发射研究方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载