手机版
|
声发射是一种常见的物理现象,是指材料中局部能量快速释放产生瞬态弹性波的过程。大多数材料变形和断裂时都有声发射发生,材料不同的损伤阶段其声发射信号特征不同,通过分析声发射信号特征可以了解材料内部的损伤情况。对材料在受载过程中的损伤破坏进行实时检测,沧州欧谱声发射技术无疑是一种有效的方法[1]。 复合材料损伤破坏过程相当复杂,复合材料自身的组织结构、组分、材料性质、加载形式、加工工艺、环境条件等都会诱发复合材料内部不同的微观损伤破坏过程。声发射技术可以区分复合材料不同阶段的断裂特性,如基体开裂、界面损伤和纤维断裂等。 笔者现以环氧树脂为研究对象,通过声发射技术研究其损伤过程。 1 实验部分 1. 1 原材料 环氧树脂:E-51,无锡树脂厂; 端羧基聚丁二烯丙烯腈(CTBN):淄博齐龙化工有限公司; 环氧树脂活性增韧剂(CMP):温州清明化工有限公司; 丁腈:兰州石化公司。 1. 2 主要仪器 多通道声发射仪:DISP-4型,美国PAC公司;传感器: R15型,谐振频率150KHz,美国PAC公司; 电子拉力试验机: T-10A型,深圳市瑞格尔仪器有限公司。 1. 3 实验方法及条件 将环氧树脂浇注成型板按GB/T2567-2008要求水切割加工成图1所示试样。将试样安装到电子拉力试验机的加载装置上,用橡皮带将两个声发射传感器固定在试样一侧,传感器和试样之间用凡士林耦合,然后将传感器与声发射仪连接。声发射试验示意图见图2。 环氧树脂试样拉伸损伤过程的声发射特性研究共进行了直接拉伸断裂、分级加载拉伸断裂和重复加载拉伸断裂3种方式的试验,试验条件见表1。 进行直接拉伸断裂试验时是将试样一次拉断;分级加载拉伸断裂试验时,沧州欧谱先根据直接拉伸断裂得到材料断裂最大力值平均值的25%、50%、75%设置三个加载台阶进行分级拉伸,第三个台阶结束后将试样拉断,每个载荷台阶下保载时间分别为2、3、2min;进行重复加载拉伸断裂试验时,先按照直接拉伸断裂得到的材料断裂力值最大力值平均值的25%、50%、75%设置三个加载力峰值重复加载三次,第四次拉断。 2 结果与讨论 2. 1 直接拉伸断裂过程的声发射特性 (1)数据分析 图3、图4、图5分别为环氧树脂试样拉伸过程负荷-声发射幅度-时间曲线、负荷-振铃计数-时间曲线和声发射各参数时间历程图。 从图3~图5可以看出,整个过程产生声发射信号较少,试验中共采集声发射信号184个。从振铃计数曲线的斜率来看,振铃计数曲线可以分为三部分: 0~3 s、3~76 s、76 s~断裂,据此可以将整个拉伸断裂过程分三个阶段。 第一阶段为损伤孕育阶段,环氧树脂试样原始缺陷如气泡等受外部载荷而产生损伤。 第二阶段为损伤累积发展阶段,声发射起始载荷为1564 N,由原始缺陷产生的损伤变成了基体微裂纹,随着拉伸的进行微裂纹进一步扩展,导致应力快速释放到相邻区域产生更多的基体微裂纹。从图3、图4可以看出,声发射信号数量和幅度随载荷的上升而稳定变化。从图5a、b、c可以看出信号幅度主要集中在30~60 dB,信号持续时间小于400μs,产生的能量计数较弱。此阶段共采集到174个声发射信号,损伤类型为树脂微观裂纹。 第三阶段为失稳破坏阶段,随着基体微裂纹大量的产生,损伤能量积累到极限发生失稳性破坏,信号主要来源于基体损伤最严重部分发生断裂,从图5c可以看出,能量计数大幅提高。此阶段共采集到10个声发射信号,其中在76. 12 s时出现一个持续时间14716μs、幅度为98 dB的声发射信号,为环氧树脂试样发生断裂信号。环氧树脂试样拉伸断口电镜显示为脆性断裂。从图5d、图5e可以看出,直接拉伸断裂过程中声发射信号幅度集中在30~50dB、平均频率集中在60~160 kHz。 (2)不同损伤类型的声发射特征 表2是对三次有效试验得到的声发射试验数据的统计,经计算可以得出直接拉伸断裂过程中占全部信号98%以上的声发射信号幅度集中在30~60dB、持续时间不大于400μs。由表2得出树脂微观裂纹和树脂宏观开裂的声发射特征值见表3。 (3)增韧剂含量对环氧树脂试样声发射特性的影响 表4是添加不同比例增韧剂时环氧树脂试样直接拉伸断裂得到的声发射试验数据。从表4中A-1~A-4的数据可以看出,随着增韧剂CMP含量的增加声发射信号产生起始时间推后,撞击、振铃计数和能量计数呈递减趋势,最大持续时间呈递增趋势。可见适当CMP增韧剂的添加从无损检测的角度来说可以提高环氧树脂的性能。A-2、A-5和A-6分别为添加8% CMP、丁腈和CTBN的试样,三者比较可以看出增韧剂选择顺序为CTBN、CMP和丁腈。 2. 2 分级拉伸断裂过程的声发射特性 图6为环氧树脂分级拉伸断裂过程负荷-声发射幅度-时间曲线。从图6可看出,声发射起始载荷约为20 N,从声发射起始到第一个载荷台阶约350 N声发射信号很多,该阶段的声发射计数在整个试验过程中最高,在保载过程中信号也持续不断,但是信号幅度呈现下降趋势。保载结束后向第二台阶加载时信号数量又上升,基本持续到第二载荷台阶约700 N时,在第二台阶保载时信号迅速变少,信号幅度一般不超过50 dB。向第三台阶1050 N升载时信号数量与第二次升载过程相当,在1050N保载时信号收敛。保载结束继续升载的信号数量又开始上升,出现幅度为98 dB的声发射信号后试样很快发生断裂。 环氧树脂试样分级加载声发射特性是升载过程声发射信号丰富、保载阶段声发射信号迅速减少,呈收敛状态。由图6计算出三个恒载台阶下声发射延续时间见表5。 2. 3 重复拉伸断裂过程的声发射特性 材料重复加载时,重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象称费利西蒂效应,焊缝探伤仪http://www.hanfengtanshangyi.com费利西蒂比就是重复加载时产生声发射信号时的载荷与原先所加最大载荷之比,费利西蒂比越大说明材料抗损伤性越好[2]。图7为环氧树脂重复拉伸断裂过程负荷-声发射幅度-时间曲线,根据图7计算的费利西蒂比见表6。 从图7和表6可以看出,环氧树脂试样存在费利西蒂效应。环氧树脂试样在第一次加载负荷达到350 N时,重复加载时的费利西蒂比是0. 971,由于费利西蒂比大于0. 95[3]说明前次加载对性能影响不大。但自第二次加载后再重复加载则费利西蒂比小于0. 95,说明加载载荷达到700 N时再重复加载则前次加载对环氧树脂试样的拉伸性能产生很大的影响。 环氧树脂试样重复拉伸断裂时的声发射特性是随着重复加载次数增加,产生声发射信号的数量逐次减少,每次产生声发射信号时的起始载荷逐渐提高。 3 结论 (1)环氧树脂试样拉伸断裂过程,声发射信号产生一般分为孕育阶段、产生发展累积阶段、破坏失效阶段三个阶段。在整个环氧树脂试样拉伸断裂过程中微观裂纹产生的声发射信号占主导地位。 (2)环氧树脂微观裂纹产生声发射信号的特征是幅度小于60 dB、持续时间小于400μs,宏观开裂产生声发射信号的特征是幅度不小于98 dB、持续时间不少于13149μs。 (3)增韧剂含量的增加对环氧树脂试样声发射特性有明显影响。 (4)环氧树脂试样分级加载声发射特性是升载过程声发射信号丰富,保载阶段声发射信号迅速减少,呈收敛状态。 (5)环氧树脂试样重复加载声发射特性是随着重复加载次数增加,产生声发射信号的数量逐次减少,每次产生声发射信号时的起始载荷逐渐提高。 |
